Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce Janusz Kotowicz Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska
Układy z silnikami tłokowymi zasilane gazem Janusz Kotowicz W16 Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska
S 1 Układy z tłokowymi silnikami spalinowymi stanowią zdecydowaną większość spośród budowanych na świecie gazowych układów małej mocy. Silnik napędza zazwyczaj generator elektryczny. Z tego powodu silniki pracujące w układach CHP są konstrukcjami stałoobrotowymi. Najczęściej spotykane prędkości obrotowe to 1000 i 1500 obr/min. Duże urządzenia o mocach rzędu kilku i więcej MW buduje się jako silniki wolnoobrotowe pracujące z prędkościami rzędu 500 750 obr/min.
S2 Ze względu na konstrukcję oraz sposób zasilania paliwem dzieli się silniki tłokowe stosowane w stacjonarnych układach na trzy podstawowe grupy [1]: silniki gazowe z zapłonem iskrowym (zakres małych mocy), silniki dwupaliwowe, tzn. zasilane paliwem gazowym oraz niewielką dawką paliwa ciekłego w celu inicjowania zapłonu mieszanki (zakres średnich mocy), silniki wysokoprężne (duże moce). Prawie wszystkie stacjonarne silniki gazowe są wyposażone w turbosprężarkę, układ chłodzenia powietrza dolotowego i posiadają 6, 8, 12 lub 16 cylindrów w układzie widlastym lub rzędowym.
S3 Silniki z zapłonem iskrowym można podzielić na dwie grupy. Pierwszą z nich stanowią jednostki o małym stosunku sprężania spalające mieszankę o składzie zbliżonym do stechiometrycznego. Wadą ich jest stosunkowo nieduża sprawność oraz konieczność stosowania katalizatora w celu spełnienia wymogów dotyczących emisji szkodliwych substancji. Drugą grupę stanowią silniki spalające ubogą mieszankę gaz-powietrze (technologia lean-burn). Można tu zaobserwować dwie zasadnicze metody realizacji procesu spalania. Pierwszy sposób to spalanie mieszanki ubogiej, przy współczynniku nadmiaru powietrza λ=1,6-2,0. Mieszanka paliwowa podawana jest tu pod wysokim ciśnieniem do komory spalania, gdzie następuje jej zapłon od iskry świecy. Spalanie tak zubożonej mieszanki wymaga stosowania wysokich stosunków sprężania. Najczęściej silniki tego typu budowane są na bazie silników Diesla.
S4 Drugie z możliwych rozwiązań to zastosowanie wstępnej komory spalania. Stosunek nadmiaru powietrza mieszanki podawanej do cylindra wynosi λ=2,0-2,3. Cylinder wyposażony jest we wstępną komorę spalania, gdzie oddzielnie wprowadza się część dawki paliwa tworzącą z powietrzem mieszankę bogatą o stosunku nadmiaru powietrza λ 0,9. W pierwszym etapie procesu spalania następuje zapłon od iskry mieszanki bogatej, po czym spalanie rozprzestrzenia się na cały cylinder [1]. Silniki z samoczynnym zapłonem mieszanki pracują w układzie dwupaliwowym. Niewielka dawka oleju napędowego jest podawana do silnika w celu zainicjowania zapłonu. Często jednostki takie przystosowane są do pracy przy zasilaniu wyłącznie olejem, na wypadek przerwy w dostawie gazu. Stosunek sprężania silników dwupaliwowych jest taki jak zwykłych silników Diesla, co podczas zasilania paliwem gazowym wymaga dokładnej kontroli stosunku nadmiaru powietrza utrzymywanego na granicy mieszanek ubogich. Zapobiega to samozapłonowi mieszanki gazowo-powietrznej. Silniki tego typu budowane są przeważnie jako jednostki o mocach większych od 1 MW.
S5 W skład typowego układu kogeneracyjnego, CHP, którego przykład jest pokazany na rysunku 3.1.3, wchodzą : silnik tłokowy, generator, system wymienników ciepła lub kocioł odzyskowy, system automatycznego sterowania, system filtrów powietrza i układ odprowadzenia spalin, chłodziarka absorpcyjna.
S6 Rys. 3.1.3 Schemat układu CHP z tłokowym silnikiem spalinowym
S7.0 Schemat układu z silnikiem spalinowym do produkcji gorącej wody został przedstawiony na rysunku 3.1.4. W celu umożliwienia produkcji energii elektrycznej w sytuacjach, gdy brak jest zapotrzebowania na ciepło, układ wyposaża się w rezerwowe (najczęściej wentylatorowe) chłodnice cieczy chłodzącej, oleju smarnego oraz powietrza za turbosprężarką.
S18 Rys. 5.12 Schemat układu CHP CAT 260 SPE firmy TEDOM 1 silnik spalinowy; 2 turbosprężarka; 3 chłodnica korpusu silnika; 4 wymiennik płaszczowy woda-woda; 5 chłodnica mieszanki gazowo-powietrznej; 6 chłodnica spalin; 7 szafa sterownicza; 8 generator prądu elektrycznego; 9 chłodnica wentylatorowa; 10 - turbina
S7.1 Rys. 3.1.4 Schemat układu CHP z tłokowym silnikiem spalinowym do produkcji gorącej wody
S8.0 Schemat układu do produkcji pary nasyconej do celów technologicznych pokazano na rysunku 3.1.5. W takim przypadku może okazać się konieczne podwyższenie temperatury spalin dopływających do kotła odzyskowego poprzez zastosowanie dodatkowych palników.
S8.1 Rys. 3.1.5 Układ skojarzony z tłokowym silnikiem spalinowym wytwarzający gorącą wodę i parę technologiczną
S9.0 Schemat przykładowej instalacji wykorzystującej gorące spaliny do celów suszarniczych przedstawia rysunek 3.1.6 Ciepło odbierane z silnika jest tu przekazywane w pośrednich wymiennikach ciepła do powietrza, które podgrzewa się do temperatury około 60-70 ºC. Powietrze jest następnie kierowane do mieszalnika, gdzie doprowadzane są również spaliny opuszczające silnik. Gdy jest to wymagane, do mieszalnika wprowadzane jest również świeże powietrze atmosferyczne. Mieszalnik opuszcza czynnik roboczy o wymaganych parametrach, który następnie kierowany jest do procesu.
S9.1 Rys. 3.1.6 Zastosowanie gorących spalin bezpośrednio w procesie technologicznym suszarni przemysłowej
S10.0 Wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na energię elektryczną, ciepło i zimno celowa jest instalacja układu CHP połączonego z urządzeniem chłodniczym (tzw. układy trójgeneracyjne). W układach takich instaluje się najczęściej chłodziarki absorpcyjne zasilane ciepłem odbieranym ze spalin i układu chłodzenia silnika. Dzięki zastosowaniu chłodziarek absorpcyjnych możliwe jest bardzo efektywne wykorzystanie ciepła generowanego w układzie (np. w sezonie grzewczym do produkcji ciepła, a w sezonie letnim do celów klimatyzacyjnych). Stosuje się również układy wyposażone w chłodziarki sprężarkowe, ale wtedy wykorzystanie ciepła z układu pozostaje zazwyczaj na tym samym poziomie. Schemat przykładowego układy trójgeneracyjnego z silnikiem spalinowym i chłodziarką absorpcyjną przedstawia rysunek 3.1.7.
S10.1 Rys. 3.1.7 Układ trójgeneracyjny z amoniakalną chłodziarką absorpcyjną
S11.0 W oparciu o tłokowe silniki spalinowe możliwa jest również budowa układów gazowo-parowych. W takich przypadkach stosowane powinny być silniki tłokowe o średnich i dużych mocach w celu uzyskania akceptowalnych wskaźników opłacalności. Spaliny z silnika zasilają kocioł odzyskowy, w którym może być produkowana zarówno para przegrzana, jak i gorąca woda. Możliwe jest także dodatkowe spalanie paliwa w kotle odzyskowym, co zwiększa jego wydajność cieplną. Najczęściej takie rozwiązania znajdują zastosowanie w przemyśle jako małe elektrociepłownie zakładowe. Ich zaletą jest możliwość zaspokojenia zapotrzebowania na gorącą wodę do celów grzewczych i socjalnych oraz produkcja pary technologicznej. Schemat złożonego układu skojarzonego z wykorzystaniem silnika spalinowego i parowej turbiny przeciwprężnej został przedstawiony na rysunku 3.1.8. Układy tego typu składają się zazwyczaj z kilku silników i jednej turbiny parowej. Elektrociepłownia tego typu o mocy elektrycznej 5640 kw zbudowana została w 1995 roku w Bilbao w Hiszpanii.
S11.1 Rys. 3.1.8 Elektrociepłownia gazowo-parowa zbudowana na bazie tłokowego silnika spalinowego
S12 Instalacja Górnośląskiego Centrum Rehabilitacyjnego Repty w Tarnowskich Górach Zapotrzebowanie ośrodka na energię: Szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną - 255kW Średnie zapotrzebowanie na energię elektryczną - 105 kw Zapotrzebowanie ośrodka na ciepło 4103 kw Instalację wyposażono w: Agregat kogeneracyjny TEDOM CAT 260 SPE 3 kotły Viessmann Turbomat RH-NW o mocy 2600 kw każdy Kocioł wodny Viessmann Paromat Simplex o mocy 1120 kw 2 kotły parowe Viessmann RN-HO o mocy 1310 kw
S13 Elektrociepłownia Górnośląskiego Centrum Rehabilitacyjnego Repty w Tarnowskich Górach
S14 Agregat kogeneracyjny TEDOM CAT 260 SPE
S15 Kocioł wodny Viessmann Turbomat RH-NW 2600 kw podczas przeglądu okresowego
S16 Kocioł parowy Viessmann RN-HO 1310 kw
S17.0 Tłokowy silnik spalinowy Caterpillar G 3408
S17.1 Tłokowy silnik spalinowy Caterpillar G 3408 wraz z systemem uzupełniania oleju (na dole)
S19 Chłodnica wentylatorowa
S20 Schemat instalacji ciepłowniczej
S21 Maksymalna moc elektryczna Maksymalna moc cieplna Energia zawarta w paliwie 271 kw 419 kw 775 kw Sprawność elektryczna 0,350 Sprawność cieplna 0,541 Sprawność całkowita 0,891 Zużycie gazu przy 100 % obciążenia 82,0 m 3 /h n Zużycie gazu przy 75 % obciążenia 63,3 m 3 /h n Zużycie gazu przy 50 % obciążenia 45,1 m 3 /h n Zalecany ekonomiczny przedział regulacji 50 100 % Zużycie gazu gwarantowane jest dla gazu o parametrach t=15 ºC p=101,325 kpa Paliwo podstawowe gaz ziemny GZ 50 Podstawowe parametry agregatu TEDOM CAT 260 SPE
Podsumowanie W Polsce nastąpi dalsze wprowadzanie układów o średniej mocy do obiektów szpitalnych, biurowców, obiektów sportowych, hoteli (możliwe skojarzenie z produkcją chłodu) i do innych obiektów użyteczności publicznej, w drugiej kolejności układów mniejszej mocy (na szerszą skalę) w budownictwie mieszkaniowym. Cena paliwa gazowego w najistotniejszy sposób determinuje efektywność ekonomiczną energetyki rozproszonej opalanej gazem ziemnym[12]. Konsekwencją tego jest stosunkowo duża ilość instalacji wykorzystującej biogaz. Należy spodziewać się, że ilość układów opalanych biogazem będzie rosła.