Опис:

При повному використанні електричної та теплової енергії, що виробляється, досягаються високі економічні показники системи, а висока енергетична ефективність забезпечує, своєю чергою, скорочення термінів окупності коштів, інвестованих устаткування.

Спільне виробництво теплоти та електроенергії

Системи спільного виробництва теплоти та електроенергії: балансування співвідношення виробленої теплоти та потужності

A. Abedin, член Американського товариства інженерів з опалення, охолодження та кондиціювання повітря (ASHRAE)

В когенераційних системах, що описуються, первинне паливо витрачається на одночасне виробництво електричної або механічної енергії (потужність) і корисну теплову енергію. У цьому процесі суттєвим є те, що те саме паливо працює «двічі», чим досягається висока енергетична ефективність систем.

При повному використанні електричної та теплової енергії, що виробляється, досягаються високі економічні показники системи, а висока енергетична ефективність забезпечує, у свою чергу, скорочення термінів окупності коштів, інвестованих в обладнання.

Конфігурація системи спільного виробництва (когенерації) теплоти та електроенергії визначається тим, наскільки фактичні теплові та електричні навантаження відповідають виробленню теплової та електричної потужності. Якщо є ринок, готовий споживати надлишок тепла або електроенергії, балансування співвідношення теплової та електричної потужності не є критичним для системи.

Наприклад, якщо електроенергія може бути спожита (на прийнятних умовах), тоді основою роботи системи спільного виробництва стає потреба на місці теплової енергії (система призначається для забезпечення теплового навантаження). Зайва електроенергія може бути продана, а її нестача може бути компенсована закупівлями з інших джерел. В результаті забезпечується висока енергетична ефективність і фактичне співвідношення вироблення тепла та електроенергії для енергетичної установки відповідає потребам на місці експлуатації установки.

Як приклад ефективного співвідношення теплової та електричної потужності розглянемо паровий котел, що виробляє в годину 4540 кг пари, що подається під тиском близько 8 бар, і споживає для цього 4400 кВт енергії топкового газу (при середньому ККД котла 75%). При такій кількості споживаної енергії паливного газу в стандартній газовій турбіні потужністю 1,2 МВт може бути вироблено необхідна кількістьпара за допомогою утилізації відхідної теплоти. В результаті близько 1100 кВт електроенергії може бути вироблено без витрат палива. Це є прикладом дуже хорошого співвідношення тепла та потужності, завдяки якому система має привабливі економічні показники.

Представимо тепер абсорбційний чиллер, який обслуговує систему кондиціювання повітря з такими ж потребами у парі. Під час роботи в режимі неповного навантаження та сама газова турбіна виробляє електроенергію неефективним чином (зазвичай). У такій системі відхідна теплота використовується не повністю, якщо тільки на місці немає іншого споживача цієї теплоти. Таким чином, якщо система працює в режимі неповного навантаження тривалий час, то її економічні показники невисокі.

Проектувальник системи спільного виробництва теплоти та електроенергії повинен вирішувати непрості завдання забезпечення оптимального співвідношення теплової та електричної потужностей, враховуючи також денні та сезонні зміни цього співвідношення. Далі розглядаються типові методи балансування співвідношення вироблення теплоти та електроенергії.

Метод I: використання газових турбін та генераторів з газовими двигунами

Порівняємо конфігурації газотурбінної енергетичної установки з високим співвідношенням теплової та електричної потужностей та встановлення газовими двигунами внутрішнього згоряння (газомоторні) з низьким ставленням теплової та електричної потужностей. Як буде показано нижче, залежно від енергетичних навантажень об'єкта, доцільними можуть бути газотурбінні, так і газомоторні установки.

Приклад А.Зазвичай у будівлі з центральною системою кондиціювання повітря за пікових розрахункових умов існує висока потреба в холоді, для чого необхідно велика кількістьтеплової енергії, якщо абсорбційні чиллери працюють на спільно виробляється теплоті, що відходить.

Припустимо, при піковому споживанні необхідність охолодження в будівлі становить 1 760 кВт і близько 1 100 кВт електричної потужності.

Газотурбінна установка може працювати з високою ефективністю когенерації таким чином:

1. Параметри продуктивності газової турбіни при 35 °С: 1 200 кВт електричної потужності при 5 340 кВт споживаної енергії топкового газу (вироблення електроенергії 22,5 %), вихід пари 7 кг/с при температурі 540 °С.

2. В умовах прикладу А котел-утилізатор відхідної теплоти забезпечує одноступінчастий абсорбційний чилер теплотою в кількості приблизно 2990 кВт. При втратах теплової енергії, що становлять 7 % (на випромінювання та втрати в трубах з гарячою водою), для забезпечення необхідної холодильної продуктивності абсорбційного чіллера котел подає на нього гарячу воду з температурою 121 °С.

3. Співвідношення теплової та електричної потужностей (кількість теплової енергії в британських одиницях MBtu/h на 1 кВт/год. ) у прикладі А дорівнює 8,5 (10200 / 1200).

Приклад Б.Для такої ж будівлі, що й у прикладі А, при споживанні лише 750 кВт електроенергії та 616 кВт «холоду» для кондиціонування повітря під час роботи в режимі неповного навантаження співвідношення теплової та електричної потужностей визначається такими факторами:

1. Параметри продуктивності газомоторної енергоустановки при 25 °С: 750 кВт електричної потужності при 2 000 кВт споживаної енергії топкового газу (вироблення електроенергії 37,5 %), утилізація відхідної теплоти охолоджувальної води в кількості 100 кВт з контуру послідовного охолоджувача двигуна у кількості 500 кВт.

2. Утилізована теплота загальною кількістю 959 кВт дозволяє виробляти близько 616 кВт холоду за допомогою одноступеневого абсорбційного чиллера при подачі на нього гарячої водиіз температурою 90 °С.

3. Співвідношення теплової та електричної потужностей (кількість теплової енергії в одиницях MBtu/год на 1 кВт/год) у прикладі Б дорівнює 4,4 (3300/750).

Співвідношення теплової та електричної потужностей змінюється з 8,5 (для газотурбінної установки) при пікових навантаженнях до показника 4,4 для газомоторної установки в режимі неповного навантаження. Раціональний вибір конфігурації когенераційної системи дозволяє досягти оптимального співвідношення навантажень та забезпечити найвищу ефективність спільного виробництва теплоти та електроенергії.

Метод 2: використання гібридних чилерів

Для балансування вироблення теплоти та електроенергії в когенераційних енергетичних установках, що забезпечують теплоти, що утилізується, центральні системи кондиціонування повітря, необхідний гібридний чиллер.

У періоди порівняно низького навантаження електроенергії (коли для абсорбційного чиллера є трохи теплоти, що утилізується) збалансувати зазначене співвідношення допомагає електричний чиллер, що підвищує електричне навантаження, збільшуючи при цьому кількість відхідної теплоти для підвищення ефективності когенерації.

Метод 3: використання накопичувача теплової енергії

Накопичувачі (акумулятори) теплової енергії використовуються як в системах охолодження, і в системах теплопостачання. Застосування накопичувальних баків-акумуляторів з використанням гарячої води (температурою від 85 до 90 ° С) може "зберегти" наявне "скидне" тепло. Система може бути спроектована для використання гарячої води з температурою вище 100 °С (при підвищеному тиску).

Оскільки економічно невигідно «зберігати» електроенергію (особливо для невеликих енергетичних установок спільного виробництва теплоти та електроенергії) для забезпечення високої ефективності вироблення тепла, у таких установках надмірна теплова енергія має накопичуватися для задоволення потреб у електроенергії.

При повному використанні теплоти відхідних газів для спільного виробництва теплоти та електроенергії, призначених для центральних систем кондиціонування повітря, необхідно, щоб чилери, що використовують теплоту, працювали в режимі максимальної продуктивності, і вся зайва холодильна продуктивність зберігалася у вигляді охолодженої води, що зберігається в накопичувальних баках.

Для цього можуть використовуватися існуючі баки для води (наприклад, призначені для системи пожежогасіння) або спеціально виготовлені баки.

Накопичувачі теплової енергії можуть бути використані для зберігання гарячої води з температурою в діапазоні від 85 до 90 °С (вода з такою температурою інтенсивно використовується, наприклад, на текстильних фабриках). Оскільки енергетичне встановлення спільного виробництва теплоти та електроенергії виробляє гарячу воду безперервно, гаряча вода може зберігатися в баках для використання у виробничих цілях.

На малюнку показано спрощену схему трубної системи встановлення виробництва та зберігання гарячої води, що є частиною енергетичної установки спільного виробництва теплоти та електроенергії, в якій використовується генератор, що приводиться в дію газовим двигуном з турбонаддувом потужністю 900 кВт, зі швидкістю обертання 1 000 об/хв. На схемі не показані всі необхідні регулюючі клапани та прилади, призначені для безпечної та економічної роботи.

Метод 4: кондиціювання вхідного повітря за допомогою газової турбіни

Приклад А. Кондиціювання вхідного повітря за допомогою газової турбіни є технологією, яка може використовуватися в установках із генераторами з газовими турбінами для балансування співвідношення теплової та електричної потужностей. У цій технології застосовується охолодження вхідного повітря для збільшення продуктивності при пікових навантаженнях влітку (за допомогою або акумуляторів теплової енергії або що знаходяться на лінії чилерів, що використовують тепло, що відходить) або нагрівання вхідного повітря для збільшення ефективності когенерації при неповному навантаженні, особливо взимку (виробляється додаткове енергії на 1 кВт електроенергії).

Охолодження вхідного повітря збільшує продуктивність та ефективність генератора з газовою турбіною. Воно широко використовується в системах спільного виробництва теплоти та електроенергії, в яких теплота, що відходить, застосовується для централізованої подачі охолодженої води.

У таких системах є або немає сховища теплової енергії. Така конструкція забезпечує роботу генераторів з газовими турбінамивідповідно до необхідних навантажень, т. к. збільшення вироблення електроенергії, завдяки охолодженню вхідного повітря, також призводить до збільшення відхідної теплоти, що подається на абсорбційні чилери.

В умовах неповного навантаження застосування газової турбіни з охолоджувальними змійовиками на вході невигідно, тому що додаткове падіння тиску на охолоджувальному змійовику (тепер уже зайвому) викликає підвищення теплової потужності (підвищене споживання палива). В установках спільного виробництва теплоти та електроенергії ефективність роботи при неповному навантаженні може бути підвищена, як показано в таблиці, за допомогою звичайної газової турбіни з номінальною потужністю 1200 кВт, що використовується в установці спільного виробництва теплоти та електроенергії, що виробляє пар з тиском, що застосовується для промислових цілей. 3 бари.

При роботі з навантаженням 40 % від максимального для балансування співвідношення вироблення теплоти та електроенергії може використовуватися підігрів вхідного повітря для газової турбіни (обмежений конструкцією установки), тому що знижена ефективність газової турбіни призводить до підвищення наявної теплоти і в результаті до підвищення загальної ефективності когенерації. Вказується, що ефективність спільного виробництва теплоти та електроенергії зростає більш ніж на 15 %, якщо за умов неповного навантаження повітря на вході нагрівається з 15 до 60 °С. Більшість виробників газових турбін можуть надати дані продуктивності при температурі повітря до 60 °С. Перед проектуванням системи з такою можливістю повинні бути перевірені спільно з виробником газової турбіни обмеження нагрівання вхідного повітря.

Приклад Б. Для збільшення генерації «тепла, що відходить» в мають високу температуру, збагачених киснем вихлопних газах газової турбіни застосовується додаткове допалювання в потоці відходить теплоти. Більша кількість тепла означає більш високе співвідношення теплоти та потужності, що покращує економічні показники процесу спільного виробництва теплоти та потужності.

Висновок

Системи спільного виробництва теплоти та електроенергії працюють ефективно, якщо використовується вся або більша частина електричної та теплової енергії.

У реальних умовах навантаження змінюється, тому для більшості систем необхідне балансування співвідношення теплової та електричної потужностей, що виробляється, що забезпечує ефективну та економічну роботу установки спільного виробництва енергії.

Системи балансування співвідношення теплоти та потужності повинні бути прийняті на установках спільного виробництва із самого початку для забезпечення оптимального використання вихідної електричної та теплової потужності та скорочення, тим самим витрат на паливо, а також для покращення економічних показників системи.

Перекладено зі скороченнями журналу «ASHRAE».

Переклад з англійської Л. І. Баранова.

Значення тепла
Джерела тепла
Виробництво тепла та теплопостачання
Використання тепла
Нові технології теплопостачання

Значення тепла

Тепло – одне з джерел життя Землі. Завдяки вогню стало можливим зародження та розвиток людського суспільства. З давніх-давен джерела тепла служать нам вірою і правдою. Незважаючи на небувалий досі рівень розвитку технологій, людина, як і багато тисяч років тому, все також потребує тепла. Зі зростанням чисельності населення земної кулі, потреба у теплі збільшується.

Тепло стоїть у ряді найважливіших ресурсів довкілля людини. Воно необхідне людині підтримки свого життя. Тепло також потрібне для технологій, без яких сучасна людина не мислить свого існування.

Джерела тепла

Найдавнішим джерелом тепла є Сонце. Пізніше у розпорядженні людини опинився вогонь. На його основі людина створила технологію одержання тепла з органічного палива.

Нещодавно для виробництва тепла стали використовувати ядерні технології. Втім, спалювання органічного палива все ще залишається основним способом видобутку тепла.

Виробництво тепла та теплопостачання

Розвиваючи технології, людина навчилася виробляти тепло у великих обсягах та передавати його на досить значні відстані. Тепло великих міст виробляється великих теплових електростанціях. З іншого боку все ще залишається безліч споживачів, яких постачають теплом дрібні та середні котельні. У сільській місцевості домогосподарства опалюються від домашніх казанів та печей.

Технології з виробництва тепла роблять вагомий внесок у забруднення навколишнього середовища. Спалюючи паливо, людина викидає у навколишнє повітря велику кількість шкідливих речовин.

Використання тепла

Загалом людина виробляє набагато більше тепла, ніж використовує з користю для себе. Багато тепла ми просто розсіюємо у навколишньому повітрі.

Тепло губиться
через недосконалість технологій виробництва тепла,
при транспортуванні тепла теплопроводами,
через недосконалість систем опалення,
через недосконалість житла,
через недосконалість вентиляції будівель,
при видаленні «надлишків» тепла в різних технологічних процесах,
при спалюванні відходів виробництва,
із вихлопними газами транспорту на двигунах внутрішнього згоряння.

Для опису стану справ у виробництві та споживанні тепла людиною добре підходить слово марнотратство. Прикладом, я б сказав, запеклої марнотратності є спалювання попутного газу на нафтових родовищах.

Нові технології теплопостачання

Людське суспільство витрачає багато сил та засобів для отримання тепла:
видобуває паливо глибоко під землею;
перевозить паливо від родовищ до підприємств та житла;
будує установки для одержання тепла;
будує теплові мережі для розподілу тепла

Мабуть, слід замислитись: а чи все тут розумно, чи все виправдане?

Так звані техніко-економічні переваги сучасних системтеплопостачання за своєю суттю є миттєвими. Вони пов'язані зі значним забрудненням довкілля та не розумним використанням ресурсів.

Існує тепло, яке не треба добувати. Це тепло Сонця. Його потрібно використати.

Однією з кінцевих цілей технології теплопостачання є виробництво та доставка гарячої води. Ви колись користувалися літнім душем? Ємність із краном, встановлена ​​на відкритому місці під променями Сонця. Дуже простий і доступний спосібпостачання теплою (навіть гарячою) водою. Що заважає використати його?

За допомогою теплових насосів людина використовує тепло Землі. Для теплового насоса не потрібне паливо, не потрібна протяжна теплотраса з її втратами тепла. Кількість електроенергії необхідне роботи теплового насоса щодо мало.

Переваги найсучаснішої і просунутої технології будуть зведені нанівець, якщо безглуздо використовувати її плоди. Навіщо виробляти тепло вдалині від споживачів, транспортувати його, потім розподіляти по оселях, опалюючи дорогою Землю та навколишнє повітря?

Слід розвивати розподілене виробництво тепла максимально наближене до місць споживання або навіть поєднане з ними. Давно відомий спосіб виробництва тепла, названий когенерацією. Когенераційні установки виробляють електроенергію, тепло та холод. Для плідного використання цієї технології необхідно розвивати місце існування як єдину систему ресурсів і технологій.

Звісно ж, що для створення нових технологій теплопостачання слід
переглянути вже існуючі технології,
постаратися уникнути їх недоліків,
зібрати на єдиній підставі для взаємодії та доповнення один одним,
повною мірою використовувати їх переваги.
Це має на увазі розуміння

Область діяльності (техніки), до якої відноситься описуваний винахід

Винахід відноситься до теплоенергетики, може бути використане при комбінованому виробництві тепла, холоду та електроенергії за допомогою теплових енергетичних установок.

ДЕТАЛЬНИЙ ОПИС ВИНАХОДУ

Відомий спосіб роботи пересувної установки комбінованого виробництва електрики, тепла і холоду, в якій генератор перетворює механічну енергію обертового валу двигуна в електроенергію, гази, що проходять через теплообмінник, віддають тепло рідинному теплоносія для теплопостачання в опалювальний період або холодоагенту абсорб період.

До недоліків даного способу роботи установки можна віднести невисокий ККД, пов'язаний з викидом в атмосферу суттєвої частини невикористаної теплової енергії через апарати повітряного охолодження двигуна внутрішнього згоряння і холодильної машини, низький рівень використання холодильної потужності абсорбційної холодильної холодильної машини влітку в періоди зниження.

Відомий також спосіб роботи когенераційної системи: перший двигун внутрішнього згоряння виробляє корисну енергію, що перетворюється на електричну енергіюза допомогою електрогенератора, другий двигун внутрішнього згоряння використовується для приводу компресора холодильної машини, що виробляє холод у літній період, тепло, утилізоване від сорочки двигуна та вихлопних газів, використовується для теплопостачання споживачів у зимовий період.

Недоліком способу роботи даної установки є невисокий ККД використання скидної теплотидвигунів внутрішнього згоряння; значні витрати електроенергії на роботу компресора холодильної машини.

Відомий спосіб роботи тригенераційної системи, що одночасно здійснює тепло/холодо- та електропостачання, в якому теплопостачання в холодний період здійснюється за рахунок утилізації теплоти вихлопних газів і охолоджуючої рідини двигуна внутрішнього згоряння, механічна енергія обертового валу двигуна перетворюється на електроенергію, холод виробляється в літній період компресійної холодильної машини.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

До недоліків способу роботи даної установки можна віднести невисокий ККД через недостатнє використання скидної теплоти двигуна внутрішнього згоряння та значні витрати електроенергії на роботу компресора холодильної машини.

Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є спосіб впуску охолодженого повітря в газову турбіну, в якому один використовують для перетворення теплоти продуктів згоряння в механічну енергію з подальшим перетворенням в електричну електрогенераторі. Другий тепловий двигун використовують як джерело теплової енергії, що перетворюється на енергію холоду в абсорбційній холодильній машині. Вироблений в абсорбційній холодильній машині холод використовують для охолодження атмосферного повітряперед стисненням. При зниженні навантаження на систему холодопостачання знижують тиск газу, що подається в тепловий двигун.

Недоліком способу роботи даної установки є те, що в період неповного завантаження абсорбційної холодильної машини внаслідок зниження тиску газу, використовуваного тепловим двигуном, підвищується температура води, що подається від абсорбційної холодильної машини до повітро-водяного теплообмінника, що призводить до зниження ступеня охолодження атмосферного повітря, що подається в компресор, і відповідно до зниження електричної потужності установки.

Завдання винаходу - підвищення ККД та електричної потужності установки за рахунок підвищення ступеня використання абсорбційної холодильної машини.

Поставлене завдання досягається в такий спосіб.

Стиснене атмосферне повітря та/або паливо спалюють у камері згоряння та теплоту продуктів згоряння перетворюють на механічну енергію за допомогою теплового двигуна. Механічну енергію перетворять на електричну в електрогенераторі. Теплову енергію, відведену від теплового двигуна, використовують для теплопостачання споживачів та для перетворення в абсорбційній холодильній машині на енергію холоду для холодопостачання споживачів. У період неповного завантаження холодильної машини надмірну холодильну потужність використовують для охолодження повітря перед стисненням.

На кресленні зображено схему однієї з можливих установок, за допомогою яких може бути здійснений описуваний спосіб.

Містить такі елементи: 1 - повітряний компресор, 2 - камеру згоряння, 3 - газову турбіну, 4 - теплообмінник охолодження дисків і лопаток турбіни, 5 - теплообмінник системи змащення турбіни, 6 - теплообмінник газів, що йдуть, 7 - теплообмінник системи теплопостачання споживачів, 8 - повітро-водяний теплообмінник, 9 контура охолодження, 10 - насос, 11 - абсорбційну холодильну машину, 12 - споживач тепла, 13 - електрогенератор, 14 - споживач холоду, 15 - трубопровід гарячої води, 16 - трубопровід охолодженої води, 17 - градирню холодильної машини, 18 - (охолодження) холодильника, 19 – приміщення, 20 – суху градирню тригенераційної установки.

Спосіб роботи комбінованого виробництва електроенергії, тепла та холоду здійснюється наступним чином

У компресорі відбувається процес стиснення атмосферного повітря. З компресора 1 повітря надходить в камеру згоряння 2, куди через форсунки безперервно під тиском надходить паливо, що розпилюється. З камери згоряння продукти 2 згоряння направляються в турбіну 3, в якій енергія продуктів згоряння перетворюється в механічну енергію обертання валу. В електричному генераторі 13 ця механічна енергія перетворюється на електричну. Теплову енергію, відведену від газової турбіни через теплообмінники системи мастила 5, системи охолодження дисків і лопаток 4 і з газів, що йдуть 6, по трубопроводу 15 передають теплообміннику 7 для постачання споживачів 12 теплом в холодний період року. У теплий період частина теплової енергії використовують для теплопостачання споживачів, а іншу частину енергії передають абсорбційному холодильнику 11, який перетворює теплову енергію в енергію холоду, використовувану для постачання холодом споживачів 14. Воду, охолоджену в теплообміннику 7, насосом 9 передають для нагрівання тепло , 5, 6. За відсутності потреби в тепловій енергії надлишкове тепло відводиться через сухі охолоджувачі 20 в атмосферу. При роботі холодильної машини 11 теплова енергія підводиться до генератора і випарника, в той час як в абсорбері і в конденсаторі теплота відводиться. Для відведення теплоти в атмосферу служить контур оборотного водопостачання, що включає в себе градирню 17 і насос 18. У період неповного завантаження абсорбційного холодильника 11 охолоджену воду передають по трубопроводу 16 в повітро-водяний теплообмінник 8, що знаходиться поза приміщенням 19, для попереднього подається в компресор 1 для стиснення атмосферного повітря і подачі в згоряння камеру 2, а нагріту в теплообміннику 8 воду насосом 10 передають в 11 для охолодження.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні винаходу, полягає у підвищенні ступеня використання абсорбційної холодильної машини за рахунок охолодження в період неповного завантаження атмосферного повітря перед його стиском. Попереднє охолодження атмосферного повітря за рахунок зменшення роботи стиснення дозволяє зменшити витрату палива в тепловому двигуні, підвищити ККД та електричну потужність установки.

Список використаних джерел

1. Патент 2815486 (Франція), 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 (Японія), 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 (Японія), 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 винаходу

Спосіб комбінованого виробництва електроенергії, тепла та холоду, що включає стиснення атмосферного повітря та/або палива з подальшим спалюванням їх у камері згоряння та перетворенням теплоти продуктів згоряння на механічну енергію за допомогою теплового двигуна, перетворення механічної енергії на електричну в електрогенераторі, передачу частини теплов відведеної від теплового двигуна, на перетворення в абсорбційній холодильній машині в енергію холоду, що використовується, принаймні, для охолодження атмосферного повітря перед його стисненням, який відрізняється тим, що частину теплової енергії, відведеної від теплового двигуна, використовують для теплопостачання споживачів, а перетворену в абсорбційної холодильної машини теплову енергію в енергію холоду використовують для холодопостачання споживачів, при цьому при виникненні в періоди неповного завантаження абсорбційної холодильної машини надлишкової енергії холоду використовують для охолодження атмосферного повітря перед стисненням.

Ім'я винахідника: Баженов Олександр Іванович (RU), Міхєєва Олена Володимирівна (RU), Хлєбалін Юрій Максимович (RU)
Ім'я патентовласника: Державне освітня установавищого професійної освітиСаратовський державний технічний університет(ГОУ ВПО СДТУ)
Поштова адреса для листування: 410054, м.Саратів, вул. Політехнічна, 77, СДТУ (патентно-ліцензійний відділ)
Дата початку відліку дії патенту: 14.05.2009

Тригенерація- це комбіноване виробництво електрики, тепла та холоду. Холод виробляється абсорбційною холодильною машиною, яка споживає не електричну, а теплову енергію. Тригенераціяє вигідною, оскільки дає можливість ефективно використовувати утилізоване тепло не лише взимку для опалення, а й улітку для кондиціонування приміщень або технологічних потреб. Такий підхід дозволяє використовувати генеруючу установку цілий рік.

Тригенерація та промисловість

В економіці, зокрема в харчовій промисловості, є потреба в холодній воді з температурою 8-14 °С, яка використовується в технологічних процесах. У той же час у літній період температура річкової води становить 18-22 °С (пивоварні, наприклад, використовують холодну воду для охолодження та зберігання готового продукту, на тваринницьких фермах вода використовується для охолодження молока). Виробники замороженої продукції працюють із температурами від –18 °C до –30 °С цілий рік. Застосовуючи тригенераціюхолод може використовуватися в різних системах кондиціювання.

Концепція енергопостачання – тригенерація

При будівництві торгового центруу Підмосков'ї, загальною площею 95 000 м², було ухвалено рішення встановити когенераційну установку. Проект був реалізований наприкінці 90-х років. Енергопостачання торгового комплексуздійснюють чотири газопоршневі двигуни з електричною потужністю 1,5 МВт і тепловою потужністю 1,8 МВт. Газопоршневі установки працюють на природному газі. Теплоносієм є вода, нагріта до 110 °C. Гаряча вода використовується як безпосередньо для опалення, так і для підігріву повітря, що надходить ззовні. Газопоршневі двигуни забезпечені глушниками та нейтралізаторами CO 2 .

Концепція енергопостачання використовує принцип тригенерації. Електрика, тепло та холод виробляються спільно. У теплу пору року тепло, що виробляється когенераторною установкою, може бути утилізовано абсорбційною холодильною машиною для охолодження повітря в приміщеннях. Таким чином, когенераційна установка виробляє, залежно від пори року, тепло чи холод, підтримуючи температуру в постійних приміщеннях. Це особливо важливо для зберігання меблів.

Тригенерацію забезпечують дві бром-літієві абсорбційні холодильні машини, потужністю 1,5 МВт кожна. Вартість спожитого установками палива в 2002 р. була в кілька разів меншою від вартості купівлі тепла та електроенергії у монопольної державної компанії. Крім того, вартість підключення до міських мереж у багатьох випадках порівнянна з вартістю самих установок і дорівнює ~1000 $ / кВт.

Тригенерація – специфіка

Особливістю абсорбційної холодильної установки є використання для стиснення парів холодоагенту не механічного, а термохімічного компресора. Як робоче тіло абсорбційних установок використовується розчин двох робочих тіл, в якому одне робоче тіло - холодоагент, а інше - абсорбент. Одне з робочих тіл, яке виконує роль холодоагенту, повинно мати низьку температурукипіння і розчинятися або поглинатися робочим тілом, яке може бути рідким, так і твердим. Друга речовина, що поглинає (абсорбує) холодоагент, називається абсорбентом.

Незалежна енергетична компанія «Нова генерація» готова власним коштом протягом 5–6 місяців встановити у Вас на підприємстві газопоршневу когенераторну електростанцію потужністю 6,4 МВт, виробництва «MAN B&W Diesel AG».

Винахід відноситься до теплоенергетики Спосіб комбінованого виробництва електроенергії, тепла та холоду включає перетворення теплоти продуктів згоряння в механічну енергію за допомогою теплового двигуна, перетворення механічної енергії в електричну в електрогенераторі, передачу теплоносія, нагрітого в контурі охолодження теплового двигуна та вихлопних газів за допомогою теплообмінників, принаймні, ступенів підігріву, на опалення, гаряче водопостачання та вентиляцію та на отримання холоду в абсорбційній холодильній машині. Частина теплоносія відводять на цілі гарячого водопостачання, опалення та вентиляції перед теплообмінниками другої та/або наступних ступенів підігріву в залежності від необхідної температури теплоносія в системах гарячого водопостачання, опалення та вентиляції. Решту теплоносія подають після теплообмінника останнього ступеня підігріву в абсорбційну холодильну машину. Пропонований спосіб дозволяє підвищити холодильний коефіцієнт та вироблення холоду АХМ. 2 іл.

Малюнки до патенту РФ 2457352

Винахід відноситься до теплоенергетики і може бути використане при комбінованому виробництві тепла, холоду та електроенергії.

Відомий спосіб роботи пересувної установки комбінованого виробництва електрики, тепла і холоду, в якій генератор перетворює механічну енергію валу двигуна, що обертається, в електроенергію, вихлопні гази, що проходять через теплообмінник, віддають тепло рідинному теплоносію для теплопостачання в опалювальний період або використовуються в абсорбційній літній період.

До недоліків цього способу роботи установки можна віднести невисокий ККД, пов'язаний з викидом в атмосферу суттєвої частини невикористаної теплової енергії.

Відомий також спосіб роботи установки, в якій двигун внутрішнього згоряння виробляє корисну енергію, що перетворюється на електричну енергію за допомогою електрогенератора, другий двигун внутрішнього згоряння використовується для приводу компресора холодильної машини, що виробляє холод в теплий період року. Тепло, утилізоване від сорочки двигуна та вихлопних газів, використовується для теплопостачання споживачів у холодний період року.

Недоліками способу роботи даної установки є неповне використання скидної теплоти двигунів внутрішнього згоряння, додаткові витрати палива для другого двигуна внутрішнього згоряння, використовуваного для приводу компресора холодильної машини.

Відомий спосіб роботи установки, одночасно здійснює тепло/холодо-і електропостачання, в якій теплопостачання в холодний період здійснюється за рахунок утилізації теплоти вихлопних газів і охолоджуючої рідини двигуна внутрішнього згоряння, механічна енергія валу двигуна, що обертається, перетворюється в електроенергію, холод виробляється в теплий період року в компресійної холодильної машини.

До недоліків способу роботи даної установки можна віднести невисокий ККД через недостатнє використання скидної теплоти двигуна внутрішнього згоряння, значні витрати електроенергії на роботу компресора холодильної машини.

Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є спосіб роботи установки для вироблення електроенергії, тепла і холоду, яким тепловий двигун виробляє механічну роботу, перетворювану в електричну енергію за допомогою електрогенератора. Відводиться через теплообмінники першого, другого та третього ступенів підігріву від теплового двигуна скидне тепло мастила, охолоджуючої рідини та вихлопних газів утилізується для теплопостачання споживачів. У теплий період року утилізоване тепло частково використовується для забезпечення споживачів гарячою водою, а частково подається в холодильну абсорбційну машину для забезпечення холодом системи кондиціонування повітря.

Однак це технічне рішенняхарактеризується відносно невисокою температурою теплоносія (80°С), що подається від теплового двигуна, що призводить до зниження холодильного коефіцієнта та холодильної потужності абсорбційної холодильної машини.

Завданням винаходу є підвищення холодильного коефіцієнта і холодильної потужності за рахунок підвищення температури теплоносія, що подається в холодильну абсорбційну машину.

Поставлене завдання досягається в такий спосіб.

У способі комбінованого виробництва електроенергії, тепла і холоду, що включає перетворення теплоти продуктів згоряння в механічну енергію за допомогою теплового двигуна, перетворення механічної енергії в електричну в електрогенераторі, передачу теплоносія, нагрітого в контурі охолодження теплового двигуна і вихлопних газів за допомогою теплообмінників двох щаблів підігріву, на опалення, гаряче водопостачання та вентиляцію і на отримання холоду в абсорбційній холодильній машині, частину теплоносія відводять на цілі гарячого водопостачання, опалення та вентиляції перед теплообмінниками другої та/або наступних ступенів підігріву в залежності від необхідної температури теплоносія в системі , опалення та вентиляції, частину теплоносія, що залишилася, подають після теплообмінника останнього ступеня підігріву в абсорбційну холодильну машину.

За рахунок відведення частини теплоносія на потреби гарячого водопостачання, опалення і вентиляції зменшиться масова витрата теплоносія, що нагрівається, що подається в теплообмінники наступних ступенів підігріву, а значить за інших рівних умов без збільшення площі поверхні нагріву підвищується температура теплоносія, що вийшов з цих теплообмінників. Збільшення температури теплоносія, що відводиться в абсорбційну холодильну машину, дозволяє підвищити її холодильний коефіцієнт і, відповідно, холодопродуктивність.

Запропонований спосіб комбінованого виробництва електроенергії, тепла та холоду ілюструється фіг.1 та 2.

На фіг.1 зображена схема однієї з можливих енергетичних установок, за допомогою яких може бути здійснений описуваний спосіб.

На фіг.2 зображена залежність відносної холодопродуктивності абсорбційної холодильної машини від температур охолоджуваної, охолоджувальної та гріючої води.

Енергетична установка містить наступні елементи: 1 - повітряний компресор, 2 - камеру згоряння, 3 - газову турбіну, 4 - теплообмінник системи змащення турбіни (перший ступінь підігріву), 5 - теплообмінник охолодження дисків та лопаток турбіни (другий ступінь підігріву), 6 - теплообмінник вихідних (вихлопних) газів (третій ступінь підігріву); 7 - теплообмінник системи теплопостачання (опалення, вентиляція споживачів); 8 - абсорбційну холодильну машину; 9 - споживач тепла (опалення та вентиляція); 10 - споживач холоду; 12 - суху градирню енергетичної установки, 13 - градирню холодильної машини, 14 - насос контуру оборотного водопостачання холодильника, 15 - насос контуру холодопостачання споживачів, 16 - насос контуру гарячого водопостачання споживачів, 17 - насос контуру теплопостачання (опалення1 контуру охолодження теплового двигуна, 19 - електрогенератор, 20 - теплообмінник системи гарячого водопостачання споживачів, 21, 22, 23 - трубопроводи подачі гріючого теплоносія в теплообмінник системи гарячого водопостачання (20), 24, 25, 26 - трубопроводи подачі гріючого теплоносія ) системи теплопостачання (опалення та вентиляції), 27 - трубопровід подачі гріючого теплоносія абсорбційної холодильної машини, 28 - контур охолодження теплового двигуна.

Спосіб роботи установки здійснюється в такий спосіб.

У компресорі відбувається процес стиснення атмосферного повітря. З компресора 1 повітря надходить в камеру згоряння 2, куди через форсунки безперервно під тиском надходить паливо, що розпилюється. З камери згоряння продукти 2 згоряння направляються в газову турбіну 3, в якій енергія продуктів згоряння перетворюється в механічну енергію обертання валу. В електричному генераторі 19 ця механічна енергія перетворюється на електричну. Залежно від теплового навантаження, установка працює в одному з трьох режимів:

І режим - з відпусткою теплоти на цілі опалення, вентиляції та гарячого водопостачання;

II режим - з відпусткою теплоти на гаряче водопостачання та абсорбційний холодильник;

III режим - з відпусткою теплоти на опалення, вентиляцію та гаряче водопостачання та на абсорбційний холодильник;

На I режимі (у холодний період року) теплоносій, нагрітий в теплообміннику системи мастила 4 (перший ступінь підігріву), теплообміннику системи охолодження дисків і лопаток 5 (другий ступінь підігріву) і теплообміннику газів 6 (третій ступінь підігріву) по трубопроводу 26 подають у теплообмінник 7 для опалення та вентиляції споживачів 9 і по трубопроводах 21, та/або 22, та/або 23 на теплообмінник гарячого водопостачання 20.

На II режимі (у теплий період року) залежно від необхідної температури в системі гарячого водопостачання частину теплоносія відводять після теплообмінника системи мастила 4 (першого ступеня підігріву) та/або теплообмінника системи охолодження дисків та лопаток 5 (другого ступеня підігріву) та/або теплообмінника вихідних (вихлопних) газів 6 (третього ступеня підігріву) по трубопроводах 21, та/або 22, та/або 23 на теплообмінник гарячого водопостачання 20, а залишився теплоносій по трубопроводу 27 подають в абсорбційну холодильну машину 8 для отримання холоду, що використовується для холодопостачання 10.

На III режимі (в осінньо-весняний період) залежно від необхідних температур у системах гарячого водопостачання, опалення та вентиляції частину теплоносія відводять після теплообмінника системи мастила 4 (першого ступеня підігріву), та/або теплообмінника системи охолодження дисків та лопаток 5 (другого ступеня підігріву), та/або теплообмінника відхідних (вихлопних) газів 6 (третього ступеня підігріву) трубопроводами 21, та/або 22, та/або 23 на теплообмінник гарячого водопостачання 20, частина теплоносія після теплообмінника системи мастила 4 (першого ступеня підігріву), теплообмінника системи охолодження дисків і лопаток 5 (другого ступеня підігріву) та/або теплообмінника відхідних (вихлопних) газів 6 (третього ступеня підігріву) трубопроводами 24, та/або 25, та/або 26 подають у теплообмінник 7 для опалення та вентиляції споживачів 9 , Що залишилася в контурі охолодження теплового двигуна 28 частина теплоносія по трубопроводу 27 подають в абсорбційну холодильну машину 8 для отримання холоду, що використовується для холодопостачання споживачів 10. Теплоносій, охолоджений в теплообмінниках 7, 8 і 20, насосом 4 6. За відсутності потреби в тепловій енергії надлишкове тепло відводиться через сухі градирні 12 в атмосферу.

Наприклад, при роботі установки у II режимі, у разі відбору теплоносія на цілі гарячого водопостачання після теплообмінника третього ступеня підігріву, абсорбційну холодильну машину трубопроводом 27 подають теплоносій з температурою 103,14°С.

У разі відбору 30% теплоносія на цілі гарячого водопостачання після теплообмінника другого ступеня абсорбційну холодильну машину подають теплоносій з температурою 112,26°С, що дає збільшення холодопродуктивності (згідно фіг.2) на 22%.

У разі відбору 30% теплоносія на цілі гарячого водопостачання після теплообмінника першого ступеня абсорбційну холодильну машину подають теплоносій з температурою 115,41°С, що дає збільшення холодопродуктивності (згідно фіг.2) на 30%.

Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні винаходу, полягає у підвищенні холодильного коефіцієнта та холодильної потужності абсорбційної холодильної машини за рахунок підвищення температури теплоносія, відведеного з контуру охолодження двигуна. Використання теплоносія з більш високими параметрами, отриманого в результаті зменшення його середньої витрати в контурі охолодження теплового двигуна за рахунок відведення частини теплоносія при досягненні необхідної температури на потреби теплопостачання, дозволяє збільшити холодильну потужність абсорбційної холодильної машини.

Джерела інформації

1. Патент № 2815486 (Франція), 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.

2. Патент № 2005331147 (Японія), опубл. 02.12.2005, МПК F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02; F25B 27/00; F25B 25/00; F25B 27/02.

3. Патент № 20040061773 (Корея), опубл. 07.07.2004, МКП F02G 5/00; F02G 5/00.

4. Патент № 20020112850 (США), опубл. 22.08.2002, МПК F01K 23/06; F02G 5/04; F24F 5/00; F01K 23/06; F02G 5/00; F24F 5/00.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Спосіб комбінованого виробництва електроенергії, тепла і холоду, що включає перетворення теплоти продуктів згоряння в механічну енергію за допомогою теплового двигуна, перетворення механічної енергії в електричну в електрогенераторі, передачу теплоносія, нагрітого в контурі охолодження теплового двигуна, і вихлопних газів за допомогою теплообмінників ступенів підігріву, на опалення, гаряче водопостачання та вентиляцію і на отримання холоду в абсорбційній холодильній машині, що відрізняється тим, що частина теплоносія відводять на цілі гарячого водопостачання, опалення та вентиляції перед теплообмінниками другої та/або наступних ступенів підігріву в залежності від необхідної температури системах гарячого водопостачання, опалення та вентиляції, частину теплоносія, що залишилася, подають після теплообмінника останнього ступеня підігріву в абсорбційну холодильну машину.