Когенерация — это комплексная технология использования энергии. При производстве электроэнергии он эффективно использует испаренное скрытое тепло для отопления, что имеет много преимуществ, таких как высокая эффективность использования энергии и защита окружающей среды. Проанализированы технические характеристики нескольких различных форм когенерации, таких как газовые турбины, парогазовые установки и топливные элементы. В этой статье показано, что способ нагрева с помощью когенерации является современным и разумным, который имеет хорошие характеристики для улучшения использования энергии, энергосбережения и сокращения выбросов.
Ключевые слова: когенерация, энергоэффективность, отопление, электроснабжение.
Системы когенерации, также известные как распределенные энергетические системы, определяются как энергия для выработки электроэнергии на стороне пользователя и преобразования отработанного тепла в полезную тепловую энергию, такую как пар или горячая вода для регионального отопления, охлаждения, горячего водоснабжения и промышленного производства [1].
С быстрым развитием мировой экономики противоречие между ресурсами, окружающей средой и устойчивым экономическим ростом становится все больше. В целях решения проблемы нехватки ресурсов и улучшения условий жизни чистое и эффективное использование энергии и устойчивое развитие становятся ключевыми направлениями исследований ученых [2], а также находятся в центре внимания всех стран мира.
В этой статье приведены технические характеристики нескольких различных форм когенерации. Приведены краткие сведения о турбинах, газовых парах и топливных элементах. В этой статье можно увидеть, что способ нагрева в области когенерации является передовым и разумным. Энергетическая система в зоне когенерации использует режим локального производства энергии, который может улучшить способность местного управления энергоснабжением, уменьшить зависимость от электросети и реализовать планирование энергопотребления, которое не может быть выполнено одним зданием. Новые энергетические технологии и различные виды топлива и энергии могут быть безопасно применены, что еще больше повышает автономность системы, а также безопасность и надежность поставок. [3]
Система когенерации газовой турбины
Система когенерации газовой турбины в основном состоит из газовых турбин, паровых турбин, котлов-утилизаторов, генераторов и другого вспомогательного оборудования. Компрессор вдыхает воздух снаружи, чтобы завершить процесс сжатия воздуха, сжатый воздух направляется в камеру сгорания и смешивается с поступающим природным газом для получения высокотемпературного и высоконапорного дымового газа. Высокотемпературный и высоконапорный дымовой газ заставляет турбину вращаться, чтобы работать, а затем вырабатывать электроэнергию. Температура дымовых газов, выходящих из хвостовой части газовой турбины, обычно составляет 500–600 °C, что является хорошим источником тепла для привода. Остаточное тепло, выделяемое хвостовой частью газовой турбины, может быть утилизировано через котел-утилизатор, а вода нагревается с образованием пара высокой температуры и высокого давления, чтобы нагреваться и формировать режим когенерации. Этот относительно простой способ когенерации газовых турбин может значительно повысить тепловую эффективность при небольших инвестициях, небольшой площади помещения, коротком периоде окупаемости инвестиций, быстром запуске, стабильной работе и может эффективно удовлетворять потребности в тепловой энергии на разбросанных небольших площадях.
В настоящее время широко используемые распределенные энергетические системы на природном газе включают систему когенерации, систему тройного снабжения холодом, теплом и электроэнергией и систему когенерации зданий. Когенерация вырабатывает тепло и электроэнергию из одного и того же топлива, и ее типичная структура показана на рисунке 1. С развитием технологий система когенерации постепенно заменяется системой тройного снабжения холодом, теплом и электроэнергией, что еще больше повышает энергоэффективность системы.
Рис. 1. Типовая структура когенерации
Комбинированный парогазовый цикл
Газовая когенерационная система с парогазовым комбинированным циклом является более эффективным методом поэтапного производства энергии. Он использует высокотемпературный выхлоп газотурбинной системы с более высокой средней температурой поглощения тепла в качестве движущего источника тепла паровой турбины, осуществляет вторичную выработку электроэнергии и значительно повышает КПД установки. Высокотемпературный дымовой газ, выпускаемый газовой турбиной, поступает в котел-утилизатор для нагрева воды, а затем поступает в паровую турбину, чтобы заставить лопасти паровой турбины работать и вырабатывать электроэнергию. КПД парогазового комбинированного цикла равен сумме КПД газовых турбин и паровых турбин, который в настоящее время может достигать более 60 %. Тройная подача природного газа, холодного, горячего и электроэнергии в основном использует двигатель внутреннего сгорания для сжигания природного газа для выработки электроэнергии, а также дополнительно рекуперирует остаточное тепло после выработки электроэнергии, которое используется для охлаждения, отопления и подачи горячей воды для бытовых нужд. Его типичная структура показана на рисунке 2. Отработанный тепловой пар, вырабатываемый парогазовой комбинированной циркуляционной системой, может быть использован для нагрева, то есть тепло, оставшееся в отработанном паре после работы в паровой турбине, может быть использовано для нагрева первичной чистой воды для отопления. Общий процесс системы отопления заключается в нагреве чистой воды в абсорбирующем тепловом насосе при высокой температуре или обратном давлении выхлопных газов в паровой турбине. После разогрева он конденсируется в воду и поступает обратно в паровую турбину для следующего цикла, который аналогичен системе конденсированной когенерации, работающей на угле. Тепловая эффективность была дополнительно повышена, но первоначальные инвестиции велики, а срок окупаемости инвестиций длительный, что подходит для крупномасштабного регионального электроснабжения и отопления с большими потребностями в электрическом отоплении.
Рис. 2. Типовая структура парогазового цикла
Когенерационная система на топливных элементах
Система когенерации на топливных элементах — это новый режим энергоснабжения для небольших установок, который позволяет реализовать теплопроизводительность небольших установок. В настоящее время отечественные исследования в этом аспекте относительно незрелы, а зарубежные технологии относительно продвинуты. Системы микрогенерации в некоторых странах уже давно коммерциализированы, и сфера их применения включает бытовое использование и коммерческое использование. Это микрораспределенная энергия с широким рынком сбыта. Топливный элемент — это устройство, которое преобразует химическую энергию в элементе, нейтрализующем окислители, в электрическую и тепловую энергию. Он в основном состоит из положительных и отрицательных электродов и электролитов. Распространенные топливные элементы включают щелочные топливные элементы, фосфорнокислотные топливные элементы, протонообменные мембранные топливные элементы и т. д.
Возьмем в качестве примера систему когенерации на бытовых топливных элементах. Реакция реактора на топливных элементах для выработки электроэнергии генерирует электрическую и тепловую энергию. Энергия постоянного тока регулируется с помощью преобразователя переменного тока в постоянный и подается в домашнюю сеть и смешивается с электропитанием от общественной сети к домашнему источнику питания; тепловая энергия, вырабатываемая в результате реакции, подается в теплообменник. В теплообменнике вода в системе теплоснабжения может нагревать дом, а летом для обогрева дома можно использовать испарительное холодильное оборудование. Когенерация зданий — это энергетическая система здания, которая решает все потребности здания в электричестве, холоде, тепле и т. д. Типичная структура системы когенерации здания показана на рисунке 3.
Рис. 3. Типичная структура системы холодного, теплового и электроснабжения в зданиях
Литература:
- МДК 4–05–2004. Методика определения потребности в топливе, электрической энергии и воде при производстве и передаче тепловой энергии и теплоносителей в системах коммунального теплоснабжения. / Госстрой России — М.: ФГУП ЦПП, 2004–68 с.
- Варфоломеев Ю. М., Кокорин О. Я. Отопление и тепловые сети. — М.: ИНФРА-М, 2006. — 480 с.
- Деев Л. В., Балахничев Н. А. Котельные установки и их обслуживание. — М.: Высшая школа, 1990. — 240 с.
