16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

30
Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce Janusz Kotowicz Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska

Transcript of 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

Page 1: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce

Janusz Kotowicz

Wydział Inżynierii i Ochrony ŚrodowiskaPolitechnika Częstochowska

Page 2: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

Układy z silnikami tłokowymi zasilanegazem

Janusz KotowiczW16

Wydział Inżynierii i Ochrony ŚrodowiskaPolitechnika Częstochowska

Page 3: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S 1Układy z tłokowymi silnikami spalinowymi stanowiązdecydowaną większość spośród budowanych na świeciegazowych układów małej mocy. Silnik napędza zazwyczajgenerator elektryczny. Z tego powodu silniki pracujące w układach CHP są konstrukcjami stałoobrotowymi. Najczęściejspotykane prędkości obrotowe to 1000 i 1500 obr/min. Dużeurządzenia o mocach rzędu kilku i więcej MW buduje się jakosilniki wolnoobrotowe pracujące z prędkościami rzędu 500 –750 obr/min .

Page 4: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S2Ze względu na konstrukcję oraz sposób zasilania paliwem

dzieli się silniki tłokowe stosowane w stacjonarnych układachna trzy podstawowe grupy [1]:

· silniki gazowe z zapłonem iskrowym (zakres małychmocy),

· silniki dwupaliwowe, tzn. zasilane paliwem gazowymoraz niewielką dawką paliwa ciekłego w celuinicjowania zapłonu mieszanki (zakres średnichmocy),

· 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 lubrzędowym .

Page 5: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S3Silniki z zapłonem iskrowym można podzielić na dwie grupy. Pierwszą z nich stanowią jednostki o małym stosunku sprężaniaspalające mieszankę o składzie zbliżonym do stechiometrycznego. Wadą ich jest stosunkowo nieduża sprawność oraz koniecznośćstosowania katalizatora w celu spełnienia wymogów dotyczącychemisji szkodliwych substancji. Drugą grupę stanowią silniki spalająceubogą mieszankę gaz-powietrze (technologia lean-burn). Można tuzaobserwować dwie zasadnicze metody realizacji procesu spalania. Pierwszy sposób to spalanie mieszanki ubogiej, przy współczynnikunadmiaru powietrza λ=1,6-2,0. Mieszanka paliwowa podawana jest tupod wysokim ciśnieniem do komory spalania, gdzie następuje jejzapłon od iskry świecy. Spalanie tak zubożonej mieszanki wymagastosowania wysokich stosunków sprężania. Najczęściej silniki tegotypu budowane są na bazie silników Diesla .

Page 6: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S4

Drugie z możliwych rozwiązań to zastosowanie wstępnej komoryspalania. Stosunek nadmiaru powietrza mieszanki podawanej do cylindrawynosi λ=2,0-2,3. Cylinder wyposażony jest we wstępną komoręspalania, 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 mieszankibogatej, 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.

Page 7: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S5W 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.

Page 8: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S6

Rys. 3.1.3 Schemat układu CHP z tłokowym silnikiem spalinowym

Page 9: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

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.

Page 10: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S18

Rys. 5.12 Schemat układu CHP CAT 260 SPE firmy TEDOM1 – 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

Page 11: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S7.1

Rys. 3.1.4 Schemat układu CHP z tłokowym silnikiem spalinowym do produkcji gorącej wody

Page 12: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

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.

Page 13: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S8.1

Rys. 3.1.5 Układ skojarzony z tłokowym silnikiem spalinowym wytwarzający gorącą wodę i parę

technologiczną

Page 14: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

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 równieżspaliny 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.

S9.0

Page 15: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S9.1

Rys. 3.1.6 Zastosowanie gorących spalin bezpośrednio w procesie technologicznym suszarni przemysłowej

Page 16: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S10.0Wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na energięelektryczną, 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 chłodziarkąabsorpcyjną przedstawia rysunek 3.1.7.

Page 17: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S10.1

Rys. 3.1.7 Układ trójgeneracyjny z amoniakalnąchłodziarką absorpcyjną

Page 18: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

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 zasilająkocioł 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 możliwośćzaspokojenia 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.

S11.0

Page 19: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S11.1

Rys. 3.1.8 Elektrociepłownia gazowo-parowa zbudowana na bazie tłokowego silnika spalinowego

Page 20: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

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

Page 21: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S13

Elektrociepłownia Górnośląskiego Centrum Rehabilitacyjnego „Repty” w Tarnowskich Górach

Page 22: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S14

Agregat kogeneracyjny TEDOM CAT 260 SPE

Page 23: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S15

Kocioł wodny Viessmann Turbomat RH-NW 2600 kW podczas przeglądu okresowego

Page 24: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S16

Kocioł parowy Viessmann RN-HO 1310 kW

Page 25: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S17.0

Tłokowy silnik spalinowy Caterpillar G 3408

Page 26: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S17.1

Tłokowy silnik spalinowy Caterpillar G 3408 wraz z systemem uzupełniania oleju (na dole)

Page 27: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S19

Chłodnica wentylatorowa

Page 28: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S20 Schemat instalacji ciepłowniczej

Page 29: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

S21Maksymalna moc elektryczna 271 kW

Maksymalna moc cieplna 419 kW

Energia zawarta w paliwie 775 kW

Sprawność elektryczna 0,350

Sprawność cieplna 0,541

Sprawność całkowita 0,891

Zużycie gazu przy 100 % obciążenia 82,0 m3n/h

Zużycie gazu przy 75 % obciążenia 63,3 m3n/h

Zużycie gazu przy 50 % obciążenia 45,1 m3n/h

Zalecany ekonomiczny przedział regulacji 50 – 100 %

Zużycie gazu gwarantowane jest dla gazu o parametrach t=15 ºCp=101,325 kPa

Paliwo podstawowe gaz ziemny GZ 50

Podstawowe parametry agregatu TEDOM CAT 260 SPE

Page 30: 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

PodsumowanieW 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 ilośćukładów opalanych biogazem będzie rosła.