16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.
Transcript of 16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.
Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce
Janusz Kotowicz
Wydział Inżynierii i Ochrony ŚrodowiskaPolitechnika Częstochowska
Układy z silnikami tłokowymi zasilanegazem
Janusz KotowiczW16
Wydział Inżynierii i Ochrony ŚrodowiskaPolitechnika Częstochowska
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 .
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 .
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 .
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.
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.
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 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
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
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
S9.1
Rys. 3.1.6 Zastosowanie gorących spalin bezpośrednio w procesie technologicznym suszarni przemysłowej
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.
S10.1
Rys. 3.1.7 Układ trójgeneracyjny z amoniakalnąchłodziarką absorpcyjną
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
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
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
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.