Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce

Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce Janusz Kotowicz Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska

Małe układy do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła Janusz Kotowicz W13 Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska

Rozwój żródeł energetyki rozproszonej opartych o instalacje turbin gazowych czy silników tłokowych uzasadniają ich zalety, z których najważniejsze to: niezawodność działania ( dla TG > 99 %), duża elastyczność cieplna (instalację turbiny gazowej można doprowadzić do pełnego obciążenia, w stosunkowo krótkim okresie: Δt = 3-10(20) min) znaczna żywotność (przy prawidłowej eksploatacji TG do 200 tys. godzin), lekkość i zwartość budowy (instalacje tego typu odznaczają się ponad dwukrotnie mniejszym, w porównaniu z siłowniami parowymi, współczynnikiem charakteryzującym stosunek powierzchni do zainstalowanej na niej mocy; jest on zazwyczaj mniejszy od 0.1 m2/kw), niewielkie zużycie wody, korzystne charakterystyki ekologiczne łatwość obsługi i automatyzacji procesów eksploatacyjnych, możliwość pracy w różnych układach technologicznych, a także z różnym czynnikiem roboczym i różnym paliwem

Rys. 1b. Ogólny schemat małej elektrociepłowni z turbiną gazową. TG zespół turbiny gazowej, WC wymiennik spalin-woda, KO kocioł odzyskowy, Dop dopalanie, - strumień ciepła spalin wylotowych, pozostałe oznaczenia jak na rys. 1a.

Rys. 1a. Ogólny schemat małej elektrociepłowni z silnikiem tłokowym. SG silnik gazowy, G generator, PC pompa ciepła, Z ziębiarka, WCS wymiennik spaliny-woda, WCW wymiennik w układzie chłodzenia silnika, WCO chłodnica oleju, CH wymiennik kondensacyjny spalin, Q1, Q2, Q3 - strumienia ciepła odbierane przez podgrzewaną wodę odpowiednio w chłodnicy spalin, czynnika chłodzącego silnik i chłodnicy oleju, B strumień paliwa, Wd wartość opałowa, Nel moc elektryczna, Q0- straty do otoczenia, Qs - strumień ciepła spalin

35% 6,15 el [%] 33% 31% 29% 27% 25% 23% 2,02 2,65 1,05 2,50 0,82 2,00 1,02 1,63 6,84 5,25 6,74 7,72 9,29 5,84 6,96 4,35 5,20 6,30 3,52 4,95 5,22 21% 0,53 ηel = 0,0136N el + 0,2207 19% R 2 = 0,5491 17% 1,45 1,83 15% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N el [MW] Rys. 2a. Zależność sprawności w funkcji mocy elektrycznej dla turbin gazowych w zakresie do 10 MW (opracowano na podstawie [4]

45 40 el[%] 35 30 ηel = 1,9825Ln(N el ) + 23,808 R 2 = 0,7944 25 20 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 N el [kw] Rys. 2b. Zależność sprawności w funkcji mocy elektrycznej (opracowano na podstawie [3]

92 90 ηc = -9E-07N el 2 + 0,005N el + 82,626 R 2 = 0,9964 ηc[%] 88 86 84 82 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 N el [kw]

Silniki tłokowe Turbiny gazowe Moc elektryczna 30 1000 kw 500-4000 kw Typ użytego paliwa Sprawność elektryczna η el Sprawność całkowita Gaz ziemny Propan Olej napędowy Biogaz 28-29 % - N = 0-60 kw 35 % -N = 60-500 kw 38-39 % - N = 500-1000 kw Gaz ziemny Biogaz Olej napędowy 18-23 %, N = 0-1000 kw 23-30 % - N = 1-5 MW zob.rys. 3 80 90 % 80-90 % Dyspozycyjność 90 95 % Powyżej 95 % Odzysk ciepła Wskaźniki skojarzenia Koszty inwestycyjne W formie gorącej wody o temp. 85-90 o C lub niskociśnieniowej pary wodnej Wysokiej jakości ciepła, w tym także średnio i wysokociśnieniowa para wodna 1,25 2,0 1,5-2,0 1300 USD/kW dla najmniejszych silników; 800 USD/kW dla jednostek większych niż 500 kw 1600-2000 USD/kW (dla bardzo małych jednostek); poniżej 900 USD/kW (dla N > 500 kw)

Koszt eksploatacji i remontu Prędkość silnika Poziom hałasu obrotowa Silniki tłokowe Turbiny gazowe 0,0045-0,007 USD/kWh [7] 0,0045-0,008 USD/kWh [7] 1500 obr/min do 25000 obr/min 100 db Po zastosowaniu obudowy redukcja ze 100 db do 65-75 db 85 db Typ generatora Generatory synchroniczne (głównie) Generatory synchroniczne Charakterystyki ekologiczne Prace rozwojowe Zazwyczaj dla paliwa gazowego przy spalaniu mieszanki ubogiej (λ = 1,5-1,6) nie wymagane są dodatkowe zabiegi dla osiągnięcia emisji rzędu 250 mg/nm 3 (przy 5 % zawartości tlenu w spalinach). Zastosowaniem dodatkowego katalizatora można zmniejszyć emisję NO x do poziomu 150 mg/nm 3. Stare silniki mogą mieć emisję rzędu 500 mg/nm 3 Wzrost sprawności, niezawodności, zmniejszenie kosztów oraz wymiarów Wtrysk wody lub pary dla uzyskania odpowiedniej wartości emisji NO x. Dla turbin większej mocy możliwe jest uzyskanie normowanej emisji bez wtrysku wody lub pary. Wzrost sprawności produkcji energii elektrycznej, budowa generatorów wysokoobrotowych, udoskonalenie systemu sterowania i kontroli.

S a Możliwości odbioru ciepła z silnika spalinowego: W układach CHP z tłokowymi silnikami spalinowymi istnieje kilka możliwości odbioru ciepła [1]: chłodzenia płaszcza wodnego, chłodzenie oleju smarnego (miski olejowej), chłodzenia mieszanki doładowanej za turbosprężarką, chłodzenia spalin wylotowych z silnika.

S b1 Ciepło grzejne odbierane jest w układzie wymienników ciepła. Ze względu na problemy związane z korozją, występujące różnice ciśnień i wymaganą czystość czynnika w układach chłodzenia używane są pośrednie wymienniki płaszczoworurowe lub płytowe typu woda-woda lub olej-woda. Uzyskanie niskiej temperatury spalin za wymiennikiem końcowym wymaga zastosowania większej powierzchni wymiany ciepła. Znaczne ochładzanie spalin musi być więc uzasadnione ekonomicznie. Wymienniki instalowane w ciągu spalinowym mogą służyć do wytwarzania gorącej wody lub pary wodnej. Standardowy wymiennik spaliny-woda pozwala obniżyć temperaturę spalin do około 120 ºC.

S b2 Ilość odbieranego ciepła w stosunku do energii chemicznej doprowadzonego paliwa jest zbliżona dla układów chłodzenia silnika i wymiennika spaliny-woda i wynosi w przybliżeniu 25 30 %. Dalszy odzysk ciepła może być prowadzony przy użyciu wymienników kondensacyjnych. Wymienniki kondensacyjne często są stosowane w celu pokrycia zapotrzebowania na ciepło niskotemperaturowe do ogrzewania szklarni, basenów kąpielowych a także we współpracy z niskotemperaturową siecią grzewczą lub przy produkcji ciepłej wody użytkowej.

S b3 W układzie prostym CHP z silnikiem spalinowym wytwarzana jest energia elektryczna i nośnik ciepła w postaci gorącej wody (chociaż spotyka się rozwiązania, w których jest wytwarzana para wodna). W przypadku silnika ciepło odzyskuje się na kilku różnych poziomach temperatury. Wyróżnić tu można niskotemperaturowe źródła ciepła (układ chłodzenia silnika oraz układ chłodzenia oleju smarnego, t 90 ºC), oraz wysokotemperaturowe źródło ciepła (spaliny wylotowe, t=380-550 ºC), przy czym znaczna część ciepła (40-50 %) jest możliwa do odzyskania wyłącznie w zakresie niskich temperatur. Najczęściej więc silniki spalinowe instalowane są w systemach grzewczych współpracujących z siecią cieplną niskotemperaturową (np. 110/70 ºC lub 90/50 ºC). Układ taki jest najczęściej przeznaczony do pracy jako klasyczna elektrociepłownia komunalna, lecz o małej mocy. W praktyce spotyka się szeroką gamę innych zastosowań i konfiguracji układów. Jednym z ciekawszych zastosowań jest wykorzystanie spalin bezpośrednio w procesie technologicznym, np. do celów suszarniczych (zakłady papiernicze, produkcja materiałów ceramicznych, przemysł spożywczy, itp.). Technologia ta jest również coraz częściej wykorzystywana w rolnictwie, ogrodnictwie. Zaletą tego rozwiązania jest bardzo wysoka wartość wskaźnika wykorzystania entalpii spalin wylotowych z silnika [1].

S c1 Małe układy skojarzone znajdują zastosowanie zazwyczaj w miejscach, gdzie przez odpowiednio dużą liczbę godzin w roku występuje odpowiednio wysokie zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną. Zapotrzebowanie to zazwyczaj zmienia się w poszczególnych godzinach doby, a charakter tej zmienności uzależniony jest od pory roku i procesów realizowanych w zasilanych obiektach. Zmienność i wielkość zapotrzebowania na nośniki energii mają zasadniczy wpływ na wielkość i konfigurację układu kogeneracyjnego. Małe układy skojarzone najczęściej znajdują zastosowanie w takich obiektach, jak [1]:

S c2 Małe elektrociepłownie zawodowe. Szpitale. Uniwersytety i szkoły. Ośrodki sportowe. Biurowce. Hotele. Osiedla mieszkaniowe. Lotniska. Zakłady przemysłowe. Oczyszczalnie ścieków. Szklarnie i suszarnie.

Instalacje opalane gazem ziemnym Łączna moc zainstalowanych turbin wynosi 49,8 MW, łączna moc silników spalinowych jest równa 15,6 MW Lokalnych systemach ciepłowniczych: 10 Zakładach przemysłowych: 5 Układach PGNiG oraz wykorzystujących lokalne źródła gazu: 6 Szpitale: 4; hotele: 1, obiekty sportowe: 2; biurowce: 2 Zielone osiedla: 1; inne: 4. Instalacje opalane gazem innym niż ziemny (łączna moc silników spalinowych jest równa 25,1 MW) - 19 w oczyszczalniach ścieków - 20 na wysypiskach śmieci - 5 w kopalniach węgla kamiennego - 1 przemysłowa ( cukrownia)

16 14 liczba urządzeń 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 zakres mocy elektrycznej Rys. 3.1.2 Moc elektryczna istniejących układów kogeneracyjnych w Polsce zasilanych gazami nienaturalnymi 1) N 100 kw 2) 100 kw < N 200 kw 3) 200kW < N 500 kw 4) 500 kw < N 1000 kw 5) 1000 kw < N 3000 kw 6) 3000 kw < N

10 9 8 liczba urządzeń 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 zakres mocy elektrycznej Rys. 3.1.1 Moc elektryczna istniejących układów kogeneracyjnych w Polsce zasilanych gazem ziemnym 1) N 100 kw 2) 100 kw < N 200 kw 3) 200kW < N 500 kw 4) 500 kw < N 1000 kw 5) 1000 kw < N 3000 kw 6) 3000 kw < N