Совместная выработка тепла и электроэнергии в теплоэнергетических установках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Школа ИШЭ

Направление подготовки

Теплоэнергетика и теплотехника

Реферат

«Совместная выработка тепла и электроэнергии в теплоэнергетических установках»

Ойжуд Олзбаяр,

группа 5Б01

Томск - 2022

Содержание

когенерация электроэнергия теплоэнергетический

Введение

1. Что такое совместная выработка тепла и электроэнергии в теплоэнергетических установка

2. Сфера применения

3. Разновидности когенерационных установок

4. Когенерационная установка на базе паровых турбин

5. Когенерационная установка с использованием газовых турбин

6. Использование когенерацию в мире

7. Воздействия на окружающую среду когенерации

8. Преимущества когенерации

Заключение

Список литературы



Введение

Одной из фундаментальных проблем, стоящих перед человечеством, является энергетическая проблема. В настоящее время основными источниками энергии являются уголь, нефть и газ. Их прогнозные ресурсы оцениваются, соответственно, в 15 трлн т, 500 млрд. т и 400 трлн м, при разведанных запасах 1685 млрд т, 137 млрд т и 140 трлн м. При современном уровне добычи разведанных запасов угля хватит на 400 лет, нефти на 42 года и газа на 61 год. Часть прогнозных ресурсов так же будет освоена, но стоимость их добычи будет постоянно расти.

Стоимость будет расти, а сами ресурсы будут медленно, но верно сокращаться, ведь уголь, нефть и газ-это не возобновляемые источники энергии и рано или поздно они закончатся. Следовательно, мы должны использовать их рационально, стараться экономить, для этого нам нужно совместная выработка тепла и электроэнергии в теплоэнергетических установка.

Оборудование, используемое для одновременного производства энергии и тепла или энергии, тепла и холода, достаточно просто по своему устройству, экономично, быстро проходит период окупаемости.

Оно способно обеспечивать автономную работу предприятий или отдаленных населенных пунктов, при условии наличии газа на объекте. Простота в обслуживании, надежность, безотказность привлекает интерес к подобным установкам.

Основное достоинство установок - минимизация потерь тепла при работе. Чем больше производится энергии, тем больше будет тепла. Если оно избыточно, излишки отводятся в атмосферу. Если недостаточно - устанавливаются дополнительные водогрейные пиковые котлы.



1. Что такое совместная выработка тепла и электроэнергии в теплоэнергетических установка?

Совместное производство тепла и электроэнергии - выработка двух видов энергии, например тепла и электричества из одного топлива, - открывает для нефтяной промышленности большие возможности, такие как рост спроса на газ или экономичность установок по подготовке газа, а также повышает ее роль как производителя электроэнергии.

Когенерация или комбинированная теплоэнергетика (ТЭЦ) - это использование теплового двигателя или электростанции для одновременной выработки электроэнергии и полезного тепла.

Когенерация - это более эффективное использование топлива или тепла, поскольку в противном случае потраченное впустую тепло от выработки электроэнергии используется в какой-то степени продуктивно. Комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ) восстанавливают потраченную впустую тепловую энергию для отопления. Это также называется комбинированным централизованным теплоснабжением. Примером децентрализованной энергетики являются небольшие ТЭЦ. Тепло побочных продуктов при умеренных температурах (100-180° C, 212-356° F) также может использоваться в абсорбционных холодильниках для охлаждения.



Когенерационные установки - это оборудование, позволяющее вырабатывать электроэнергию и тепло одновременно.

- увеличение эффективности использования топлива благодаря более высокому КПД;

- снижение вредных выбросов в атмосферу по сравнению с раздельным производством тепла и электроэнергии;

- уменьшение затрат на передачу электроэнергии, т.к. когенерационные установки размещаются в местах потребления тепловой и электрической энергии, потери в сетях практически отсутствуют.

· Различные методы когенерации

Когенерационные электростанции обеспечивают одновременное производство тепловой и электрической энергии. В табл. 3.20 представлены различные методы когенерации и характерное для них соотношение производимой электрической и тепловой энергии.



2. Сфера применения

Благодаря резко континентальному климату в России, с длинными отопительными периодами и жарким сезоном, спектр применения когенерационных установок достаточно большой и постоянно расширяется. От крупных предприятий с постоянным потреблением большого объема электрической и тепловой энергии, до предприятий различных сфер обслуживания и ЖКХ.

Когенерационные установки на базе газопоршневых или газотурбинных двигателей, успешно используются:

· 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 агро-промышленного 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;

· Тепличные хозяйства и комплексы - с использованием оборудования очистки содержащегося в выхлопных газах диоксида углерода СО2, для подкормки тепличных культур и увеличения урожайности;

· Торгово-развлекательные комплексы, гипермаркеты, крупные гостиницы - с использованием тригенерационных установок 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;

· Аэропорты - для увеличения надежности (бесперебойности) электроснабжения с улучшением качества электроэнергии;

· Нефтегазовая промышленность, нефтяные месторождения с использованием в качестве топлива попутного нефтяного газа;

· Энергоснабжение горнодобывающих предприятий, когда подключение к внешней энергосистеме затрудненно

В настоящее время на российском рынке предлагается достаточно большой выбор когенерационных установок различного диапазона мощности, которые производят как некоторые зарубежные заводы-изготовители, так европейские и российские компании, которые занимаются пакетированием когенерационных установок - их комплектацией, обвязкой инженерными системами и сборкой на базе газопоршневых и газотурбинных двигателей. Сельское хозяйство и садоводство



3. Разновидности когенерационных установок

Когенерационная установка на основе поршневого двигателя

Поршневые двигатели, используемые в энергосистемах, обладают, с одной стороны, соизмеримой с турбинами эффективностью в части генерации электроэнергии. С другой стороны, создание когенерационных систем на базе поршневых двигателей осложнено рассеиванием тепловой энергии, часть которой отводится системой охлаждения двигателя (двигатель и масло, используемое в системе смазки, должны постоянно охлаждаться), а также пульсирующим характером потока отходящих газов (с температурой на уровне 400°С). Количественное соотношение тепловой энергии и электрической у поршневых двигателей составляет от 0.5:1 до 1.5:1.

Когенерационная установка на баз поршневого двигателя

Наиболее часто встречающиеся установки использующие тепловую энергию отходящих газов поршневых двигателей включают производство пара с давлением до 15 кг/см2 или горячей воды с температурой до 100°С или прямое использование тепла отходящих газов в процессах сушки. Помимо отходящих газов можно использовать воду из системы охлаждения двигателя, но она обладает низкой энергетической способностью (температура 80°С - 90°С).

Подготовка места установки поршневых двигателей должна обязательно включать решение вопросов, связанных с вибрацией. Наиболее эффективным методом является использование платформы с пневматической системой амортизации.

Преимущества поршневого двигателя:

- Высокая производительность.

- Относительно низкий уровень начальных инвестиций.

- Широкий спектр моделей по выходной мощности.

- Возможность автономной работы.

- Быстрый запуск.

- Гибкость по отношению к выбору топлива.

Недостатки поршневого двигателя:

- Дорогое обслуживание (обслуживающий персонал, использование смазочных масел и охлаждающих жидкостей).

- Высокая эмиссия вредных веществ.

- Высокий уровень (низкочастотного) шума.

- Низкая тепловая эффективность.

- Высокое соотношение вес/выходная мощность.

- Ресурс работы ниже, чем у турбин.

4. Когенерационная установка на базе паровых турбин

Паровые турбины используются в качестве основных двигателей промышленных когенерационных систем в течение многих лет. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества. Электрическая мощность системы зависит от того, насколько велик перепад давления пара на входе и выходе турбины. КПД паровой турбины в части генерации электроэнергии самый низкий из всех рассматриваемых технологий (от 7 до 20%), но в составе когенерационных систем суммарная эффективность может достигать 80% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Из этого следует, что паровые турбины находят применение в местах, где потребность в тепловой энергии намного выше, чем в электрической. Предлагаемые на рынке системы, как правило, рассчитаны на производство от 500 квт и более электроэнергии. Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться под высокими давлением и температурой. Преимуществом технологии является возможность использования в котле самого широкого спектра топлив, включая твердые. Однако использование тяжелых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы, которые определяются составом отходящих из котла продуктов горения

Паровые турбины бывают двух типов:

· с противодавлением (когда давление пара на выходе турбины выше атмосферного);

Технологическая схема паровой турбины с противодавлением

· конденсационные (когда давление пара на выходе турбины ниже атмосферного).

Технологическая схема конденсатной паровой турбины

Наиболее перспективными для установки ПТУ являются существующие котельные средней и большой производительности, оснащенные паровыми котлами (или пароводогрейные котельные), с нагрузками отопления и ГВС. Внедрение когенерации на такой котельной не потребует увеличения количества котлов или их реконструкции.

В результате установка электрогенерирующих мощностей на базе ПТУ имеет минимальные удельные кап. затраты (руб./кВт), по сравнению с другими вариантами. Производство электроэнергии будет связано с незначительными затратами топлива. Основным недостатком ПТУ является меньшая удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении (кВт·час / Гкал), однако производимой энергии в большинстве случаев достаточно для полного покрытия собственных нужд котельной и некоторого экспорта электроэнергии.

5. Когенерационная установка с использованием газовых турбин

Благодаря повсеместному переходу в 90-е годы на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики, газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Несмотря на то, что максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 мвт и выше (до 250 мвт), некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1-5 мвт.

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой, проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор. Вместо производства электричества, механическая энергия турбины может использоваться для работы насосов, компрессоров и т.п. Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов газообразного топлива. При этом газовые турбины предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (механические включения, влажность).

Температура исходящих из турбины газов составляет 450°С - 550°С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1.5:1 до2.5:1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

- Непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;

- Производство пара низкого или среднего давления (8-18 кг/см2) во внешнем котле;

- Производство горячей воды;

- Производство пара высокого давления (турбины комбинированного цикла, описание которых приведено ниже).

КПД газовой турбины составляет 25% - 35%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. В составе когенерационных систем эффективность возрастает до 90% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности).

Работа турбины сопровождается высоким уровнем шума, поэтому для их установки используются индустриального типа здания (в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.

Технологическая схема газовой турбины.

Преимущества газовой турбины:

· Надежность;

· Отсутствие водяной системы охлаждения;

· Высокоэнергетический» выход тепловой энергии.

6. Использование когенерацию в мире

В последние годы в мире пришли к пониманию необходимости серьезного отношения к вопросам, касающимся охраны окружающей среды. Факт подписания Киотского протокола свидетельствует о наличии воли со стороны различных стран мира ответить вызову связанному с изменением климата и намерению сократить выбросы газов, вызывающих парниковый эффект. Именно в рамках данного контекста Европейской комиссией были обозначены три приоритетных направления по реализации своей энергетической политики, а именно:

- рациональное использование энергии;

- эффективность использования энергии;

- стимулирование разработок в области возобновляемых источников энергии.

Европе необходимо также найти решение по снижению своей энергетической зависимости. В настоящее время, фактически 50% ее потребностей покрываются благодаря импорту энергии. Если нынешняя тенденция сохранится, этот показатель может достигнуть 70%.

Если же верить прогнозам, то запасы нефти на планете будут исчерпаны менее чем через полвека, что дает основание предположить о резком росте цен в ближайшие годы.

8. Воздействия на окружающую среду когенерации

Энергетический и экономический эффект

Когенерация позволяет максимально использовать энергетический потенциал топлива. Другими словами, производство равного количества электрической и тепловой энергии требует меньше топлива. Расчетная экономия первичной энергии или топлива по сравнению с традиционными системами раздельного производства составляет от 10 до 35%.

С экономической точки зрения, такая энергетическая эффективность означает существенное сокращение издержек по счетам заполученную энергию (уменьшение количества энергии купленной у энергосетей, оптимизация стоимости производства тепловой энергии) и \ или существенную экономию за счет перепродажи энергосетям произведенной энергии.

Фактически, когенерационные установки предоставляют возможность возникновения обязательств по выкупу производимой ими электроэнергии со стороны Государственного энергетического управления Франции или негосударственного поставщика.

Эффект в области охраны окружающей среды

Одна из форм получения энергии, совместимая с долгосрочным развитием и оптимальным управлением природными ресурсами.

Благодаря своей энергетической эффективности, когенерация позволяет заметно снизить выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов. Данный положительный эффект возрастает в случае использования таких видов топлива неископаемого происхождения, как биогаз.

Вместе с тем, определение воздействия когенерации на окружающую среду представляет собой сложную задачу.

В самом деле, предварительно требуется определить взамен каких средств централизованного производства тепла и электроэнергии служит когенерационная установка. По результатам работ проведенных Клубом когенерации в сотрудничестве ГДФ ЭксперГаз можно подсчитать, что применение малой когенерации, в зависимости от того какие средства производства электроэнергии и тепла замещаются, позволяет снизить выбросы CO2 с 15 до 29%*.

Пример в Красноярске

Три красноярские ТЭЦ работают в режиме когенерации, то есть производят одновременно и тепловую, и электрическую энергию. Это самый эффективный способ использования топлива: на каждую единицу выработанной энергии тратится меньше природных ресурсов, чем при других способах производства. Например, чем на той же котельной.

Также в Красноярске работает более сотни котельных и тысячи домов отапливаются самостоятельно - с помощью котлов, газгольдеров и бытовых печей. Котельные, в отличие от большинства крупных ТЭЦ, обычно не оснащены эффективным газоочистным оборудованием, имеют низкие трубы и часто расположены прямо в жилых микрорайонах. Поэтому сейчас в Красноярске реализуется федеральная программа замещения неэффективных котельных. Жители переключаются на тепло от ТЭЦ. Для этого СГК строит новые магистрали и увеличивает диаметр существующих теплотрасс.

9. Преимущества когенерации

Когенерация, по оценкам специалистов, предлагает превосходный механизм экономического стимулирования:

1. Высокие затраты на энергию могут быть уменьшены в несколько раз.

2. Уменьшение доли энергии в себестоимости продукции позволяет существенно увеличить конкурентоспособность продукта. В России доля энергии в себестоимости продукта колеблется от 10% до 70%, что в 5-10 раз выше мирового уровня. В себестоимости продукции химической промышленности на энергию приходится порядка 70%. В металлургии - до 27%.

3. Некачественное электроснабжение - главный фактор замедления экономического роста. Когенерация является практически самым оптимальным вариантом обеспечения надежности снабжения электрической энергией. Рынок в своей оценке перспектив бизнеса обращает пристальное внимание на энергозависимость.

4. Энергозависимая экономика требует все больше и больше энергии для работы и развития. При традиционном энергообеспечении возникает множество организационных, финансовых и технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку часто необходимы прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т.д. В то же время, когенерация предлагает крайне гибкие и быстрые в плане наращивания мощностей решения. Наращивание мощностей может осуществляться как малыми, так и достаточно большими долями. Этим поддерживается точная взаимосвязь между генерацией и потреблением энергии. Таким образом, обеспечиваются все энергетические нужды, которые всегда сопровождают экономический рост.

5. Стоимость прокладки энергокоммуникаций и подключение к сетям могут вылиться в сумму, сравнимую или превосходящую стоимость проекта когенерации. Большая часть территории России (по различным оценкам от 50 до 70%) располагается вне зоны действия централизованных электрических сетей. Природоохранные ограничения, стоимость земли и воды, государственное регулирование - есть тысячи препятствий для энергокомпании, решившей построить новую мощную электростанцию.

6. Топливом является газ, его преимуществом является относительная дешевизна, мобильность и доступность.

7. Когенерация позволяет воздержаться от бесполезных и экономически неэффективных затрат на средства передачи энергии, к тому же исключаются потери при транспортировке энергии, так как энергогенерирующее оборудование установлено в непосредственной близости от потребителя. Еще в 1962 году советскими учеными было отмечено, что передача газа по газопроводам в 10-12 раз экономичнее передачи электрической энергии по высоковольтным линиям электропередачи. Нормативные потери в теплосетях - 5%, а реальные, в среднем, - 12-16% от передаваемой тепловой энергии.

8. С развитием реформ и принятием соответствующих законов в России возникает привлекательное использование распределённых генераторов - превращение миллионов частных домов, офисных зданий и предприятий в производителей и продавцов электроэнергии. Реализация этой «программы-максимум» позволяет не только рассчитывать на включение собственного генератора в случае аварии или перегрузки местной электрической сети, но и следить за разницей цен на газ и электричество и играть на этой разнице, получившей название «искровой маржи» (spark spread), или просто продавать энергию в периоды пиковых нагрузок и высоких цен. Чем ближе создание рынка электроэнергии с изменяющимися в реальном времени ценами, тем привлекательнее становится такой «дополнительный» бизнес, способный при некоторых условиях стать даже прибыльнее основного.



Заключение

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что очевидной необходимостью для России является развитие систем совместного производства электрической и тепловой энергии. Эти системы, по сравнению с существующими монопольными тарифами, позволяют существенно снизить затраты на потребляемую энергию, а также решить важную проблему пиковых нагрузок и недостатков централизованных систем.

Когенерационные установки имеют больший ресурсный потенциал, а также преимущества в надежности, диапазоне мощностных ресурсов. Очевидным является и то, что монопольное владение электроэнергетическим рынком, подкрепленное технико-правовыми нормами и существующей практикой ставит российского промышленного, сельскохозяйственного и гражданского потребителя в безвыходное положение, вынуждая его к приобретению когенерацинных установок.

Благодаря меньшим денежным затратам на строительство, использование когенерационных установок положительно повлияет на экономику страны.

Экологическая выгода от использования когенерационных систем также является очевидной: их использование значительно уменьшает уровень выброса загрязняющих веществ в атмосферу.



Список литературы

1. Безлепкин В.П. Парогазовые установки. - СПб., 1999.

2. Длугосельский В.И., Зубков А.С. Эффективность использования в теплофикации газотурбинных и парогазовых технологий. // Теплоэнергетика. - №12. - 2000.-С. 3-6.

3. Барков В.М. Когенераторные технологии: возможности и перспективы. // «ЭСКО» электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». - №7. - 2004.

4. Ситников. В. Экологические выгоды когенерации. // «ЭСКО» электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». - №7. - 2005.

5. Замоторин Р.В. Малые теплоэлектроцентрали - поршневые или турбинные // Энергосбережение в Саратовской области. 2001. №2.

6. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: МЭИ, 1999. - 472 с.

7. Основы научных исследований: учебное пособие / Б.И. Герасимов и др. - М.: Форум, 2011.

Размещено на Allbest.ru

...