OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72...

12
OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU KOKSOWNICZEGO W UKŁADACH Z SILNIKIEM TŁOKOWYM ORAZ KOTŁEM I TURBINĄ PAROWĄ Autorzy: Stanisław Kasprzyk, Henryk Rusinowski ("Rynek Energii" - grudzień 2016) Słowa kluczowe: gaz koksowniczy, turbina parowa, silnik tłokowy, kogeneracja, ocena energetyczna Streszczenie. W wielu procesach przemysłowych produktem ubocznym są gazy technol ogiczne o zróżnicowanej wartości opałowej. Do takich gazów należy między innymi gaz koksowniczy. Gazy te w zależności od potrzeb i możliwości wykorzystuje się w tych procesach, zmniejszając zużycie wysokokalorycznych paliw podstawo- wych. Zwiększa to sprawność energetyczną procesów przemysłowych. Nadwyżki gazów technologicznych można wykorzystać w sposób efektywny energetycznie. W artykule przedstawiono ocenę energetyczną ukł adu kogeneracyjnego zasilanego gazem koksowniczym i wyposażonego w gazowy silnik tłokowy o mocy elektrycz- nej 2,9 MW oraz układu produkującego energię elektryczną, wyposażonego w kocioł i turbinę parową, o mocy elektrycznej 71 MW. Oceny energetycznej dokonano na podstawie opracowanych modeli obliczeniowych za- wierających bilanse energii i substancji poszczególnych urządzeń i w oparciu o wybrane wskaźniki energetycz- ne, charakteryzujące efektywność produkcji energii elektrycznej oraz ciepła. Wyniki obliczeń przedstawiono w tablicach i na ich podstawie opracowano odpowiednie wnioski oraz dokonano krótkiego podsumowania. 1. WPROWADZENIE Gaz koksowniczy jest ubocznym produktem w procesie koksowania. Koks otrzymuje się w procesie wysokotemperaturowej pirolizy węgla kamiennego, który prowadzony jest w komo- rach koksowniczych. Surowy gaz koksowniczy odbierany bezpośrednio z komory koksowania jest gorącym, silnie zanieczyszczonym gazem o temperaturze przekraczającej 700 o C. Gaz ten jest oczyszczany i chłodzony do temperatury 25-30 o C [1, 2]. Skład chemiczny oczyszczonego gazu koksowniczego przedstawia się następująco: H 2 = 53,5% ÷ 65,2%, CO = 5,2% ÷ 8%, CH 4 = 20,7% ÷ 28,7%, C 2 C 5 = 2,2% ÷ 2,9%, CO 2 = 1,8% ÷ 3,2%, O 2 = 0,1% ÷ 1,5%, N 2 = 0,7% ÷ 3,2%. Wartość opałowa gazu średnio wynosi około 17,9 MJ/m 3 [3]. Spośród wszystkich sposobów wykorzystania gazu koksowniczego, największym potencja- łem, zarówno ekonomicznym, jak i ekologicznym, cechuje się wykorzystanie energii che- micznej w układach produkujących energię elektryczną oraz ciepło, znajdujących się bezpo- średnio w zakładach koksownii.

Transcript of OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72...

Page 1: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU

KOKSOWNICZEGO W UKŁADACH Z SILNIKIEM TŁOKOWYM

ORAZ KOTŁEM I TURBINĄ PAROWĄ

Autorzy: Stanisław Kasprzyk, Henryk Rusinowski

("Rynek Energii" - grudzień 2016)

Słowa kluczowe: gaz koksowniczy, turbina parowa, silnik tłokowy, kogeneracja, ocena energetyczna

Streszczenie. W wielu procesach przemysłowych produktem ubocznym są gazy technologiczne o zróżnicowanej

wartości opałowej. Do takich gazów należy między innymi gaz koksowniczy. Gazy te w zależności od potrzeb i

możliwości wykorzystuje się w tych procesach, zmniejszając zużycie wysokokalorycznych paliw podstawo-

wych. Zwiększa to sprawność energetyczną procesów przemysłowych. Nadwyżki gazów technologicznych

można wykorzystać w sposób efektywny energetycznie. W artykule przedstawiono ocenę energetyczną układu

kogeneracyjnego zasilanego gazem koksowniczym i wyposażonego w gazowy silnik tłokowy o mocy elektrycz-

nej 2,9 MW oraz układu produkującego energię elektryczną, wyposażonego w kocioł i turbinę parową, o mocy

elektrycznej 71 MW. Oceny energetycznej dokonano na podstawie opracowanych modeli obliczeniowych za-

wierających bilanse energii i substancji poszczególnych urządzeń i w oparciu o wybrane wskaźniki energetycz-

ne, charakteryzujące efektywność produkcji energii elektrycznej oraz ciepła. Wyniki obliczeń przedstawiono

w tablicach i na ich podstawie opracowano odpowiednie wnioski oraz dokonano krótkiego podsumowania.

1. WPROWADZENIE

Gaz koksowniczy jest ubocznym produktem w procesie koksowania. Koks otrzymuje się w

procesie wysokotemperaturowej pirolizy węgla kamiennego, który prowadzony jest w komo-

rach koksowniczych.

Surowy gaz koksowniczy odbierany bezpośrednio z komory koksowania jest gorącym, silnie

zanieczyszczonym gazem o temperaturze przekraczającej 700oC. Gaz ten jest oczyszczany i

chłodzony do temperatury 25-30oC [1, 2].

Skład chemiczny oczyszczonego gazu koksowniczego przedstawia się następująco: H2 =

53,5% ÷ 65,2%, CO = 5,2% ÷ 8%, CH4 = 20,7% ÷ 28,7%, C2 – C5 = 2,2% ÷ 2,9%, CO2 =

1,8% ÷ 3,2%, O2 = 0,1% ÷ 1,5%, N2 = 0,7% ÷ 3,2%. Wartość opałowa gazu średnio wynosi

około 17,9 MJ/m3[3].

Spośród wszystkich sposobów wykorzystania gazu koksowniczego, największym potencja-

łem, zarówno ekonomicznym, jak i ekologicznym, cechuje się wykorzystanie energii che-

micznej w układach produkujących energię elektryczną oraz ciepło, znajdujących się bezpo-

średnio w zakładach koksownii.

Page 2: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

Cel ten można zrealizować w następujących układach:

układ z kotłem gazowym i turbiną parową,

układ z tłokowym silnikiem gazowym i kotłem odzyskowym,

układ z turbiną gazową i kotłem odzyskowym.

2. UKŁADY WYKORZYSTANIA ENERGII CHEMICZNEJ GAZU

KOKSOWNICZEGO

Najbardziej popularnymi układami wykorzystania energii gazu koksowniczego są układy z

silnikami tłokowymi oraz kotłem i turbiną gazową.

Do podstawowych urządzeń układu wyposażonego w silnik tłokowy należy także zaliczyć

generator, mieszalnik, wymienniki chłodzenia płaszcza wodnego, mieszanki i oleju, kocioł

odzyskowy. Układ taki zastosowano między innymi w Koksowni Częstochowa „Nowa” w

bloku energetycznym o mocy 2,93 MWe wyposażonym w 16-sto cylindrowy silnik tłokowy

marki Deutz i kocioł odzyskowy oraz w bloku energetycznym o mocy 7,16 MW zainstalowa-

nym w Koksowni Profusa S.A. w Bilbao w Hiszpanii, wyposażonym w 12 połączonych rów-

nolegle silników marki Jenbacher i kocioł odzyskowy zasilany wspólnie spalinami z silników.

Głównymi zaletami tego typu układów są dostępność silników w szerokim zakresie mocy

elektrycznej, wysoka sprawność wytwarzania energii elektrycznej, możliwość modułowej

konstrukcji układów większych mocy, możliwość stosowania różnych paliw, stosunkowo

niski nakład inwestycyjny. Do wad należałoby zaliczyć: konieczność instalowania dodatko-

wych odbiorów ciepła przy braku zapotrzebowania na ciepło grzejne, znaczny udział ciepła

na niskim poziomie temperatury, duży hałas wymagający stosowania osłon akustycznych,

stosunkowo wysoki poziom drgań wymagający stosowania podłoży tłumiących, specjali-

styczna obsługa, konieczność stosowania paliwa o wysokiej czystości [8].

W przypadku układów wyposażonych w kocioł oraz turbinę parową podstawowymi urządze-

niami znajdującymi się w układzie są kocioł gazowy, turbina parowa z generatorem, skra-

placz, pompy skroplin i wody zasilającej, wymiennik ciepłowniczy oraz odgazowywacz. Dwa

takie układy zostały zainstalowane w Koksowni Przyjaźń Sp. z o.o.. Pierwszy z nich,

o mocy znamionowej 21 MW, składa się z 3 turbozespołów i zasilany jest gazem koksowni-

czym oraz gazem nadmiarowym z Instalacji Suchego Chłodzenia Koksu o wartości opałowej

ok. 2,1 MJ/mn3. Drugi, o mocy znamionowej 71 MW, wyposażony został

w jeden turbozespół SST-600-G&V i zasilany jest wyłącznie gazem koksowniczym. Do pod-

stawowych zalet takiego układu należy zaliczyć dostępność rozwiązań technologicznych,

łatwość w obsłudze, możliwość spalania gazu o gorszej czystości. Do wad natomiast stosun-

kowo niską sprawność wytwarzania energii elektrycznej, spore rozmiary instalacji oraz wyso-

kie nakłady inwestycyjne.

Rzadziej stosowanym układem jest układ kogeneracyjny z turbiną gazową. Podstawowymi

urządzeniami występującymi w takim układzie oprócz turbiny gazowej są generator i kocioł

Page 3: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

odzyskowy. Przykładem zastosowania jest blok gazowo-parowy w Koksowni Liyuan w Chi-

nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30

MW oraz turbinę parową o mocy 12 MW. Należy podkreślić, że w układzie tym konieczne

było zainstalowanie dodatkowych kolumn absorpcyjnych wypełnionych węglem aktywnym i

rudą darniową [13].

Do podstawowych zalet takiego układu należą: duża elastyczność pracy, krótki czas rozruchu,

wysoka niezawodność i dyspozycyjność, ciepło na wysokim poziomie temperatury (dające

możliwość wytwarzania pary o wysokich parametrach), małe rozmiary

i wysoki stosunek mocy do masy, brak konieczności chłodzenia zewnętrznego, małe obciąże-

nia fundamentu. W przypadku wad należałoby wymienić zależność mocy i sprawności od

parametrów otoczenia (głównie temperatury), stosunkowo niską sprawność wytwarzania

energii elektrycznej, stosunkowo wysokie ciśnienie paliwa podawanego do komory spalania,

konieczność stosowania osłon akustycznych, niską sprawność przy niepełnym obciążeniu,

konieczność zasilania paliwem o bardzo wysokiej czystości.

3. ANALIZA ENERGETYCZNA UKŁADU Z SILNIKIEM TŁOKOWYM

Na rys. 1 przedstawiono schemat obliczeniowy układu wyposażonego w silnik tłokowy opra-

cowany w oparciu o schemat cieplny układu zastosowanego w Koksowni Częstochowa

„Nowa”. Paliwo, którym jest gaz koksowniczy doprowadzane jest do mieszalnika M, gdzie

następuje wstępne zmieszanie go z powietrzem. Otrzymana mieszanka zostaje sprężona w

sprężarce S i przed doprowadzeniem do silnika schłodzona w drugim stopniu dwustopniowe-

go wymiennika chłodzenia mieszanki CHM. Schłodzona mieszanka paliwowo-powietrzna

trafia do szesnastocylindrowego silnika spalinowego Deutz TCG 2032 V16, natomiast pod-

grzany czynnik chłodniczy w zamkniętym obiegu wstępnie podgrzewa wodę surową w wy-

mienniku ciepła GWT. Wytworzona w silniku moc mechaniczna zostaje przekazana na wał

napędzający generator G, w którym wytwarzana jest energia elektryczna. Spaliny opuszczają-

ce silnik trafiają do turbiny T, która napędza sprężarkę S. Następnie trafiają do kotła odzy-

skowego KO, w którym produkowana jest para przegrzana. Spaliny opuszczające kocioł od-

zyskowy zostają skierowane do komina K. Układ silnikowy wyposażony jest także w dwa

obiegi chłodnicze: obieg chłodzenia płaszcza silnika oraz obieg chłodzenia oleju. W obiegu

chłodzenia silnika gorący czynnik chłodniczy opuszczający silnik trafia do wymiennika ciepła

KWT, w którym podgrzewana jest woda uzdatniona, skierowana następnie do odgazowywa-

cza znajdującego się w istniejącym budynku kotłowni. Schłodzony czynnik trafia do wy-

miennika ciepła oleju smarowanego SWT, gdzie odbierane jest ciepło z obiegu chłodzenia

oleju.

W dalszej kolejności czynnik chłodniczy trafia do pierwszego stopnia wymiennika chłodzenia

mieszanki CHM i po odebraniu ciepła z mieszanki paliwowo-powietrznej zostaje doprowa-

dzony do silnika. W obiegach chłodzenia mieszanki oraz chłodzenia silnika czynnikiem

chłodniczym jest roztwór glikolowo-wodny [4].

Page 4: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

Dodatkowo, w układzie zainstalowano obieg podgrzewania powietrza doprowadzanego do

mieszalnika. Obieg zostaje uruchomiony jedynie w sytuacji gdy powietrze doprowadzone z

otoczenia posiada temperaturę poniżej 15oC. Ze względu na przyjętą temperaturę powietrza o

wartości 25oC w analizie energetycznej obieg ten został pominięty. Podstawowe parametry

analizowanego układu przedstawiają się następująco:

znamionowa moc elektryczna 2,93 MW,

ilość ciepła produkowanego w parze 1,28 MW,

ilość ciepła produkowanego w podgrzanej wodzie 1,6 MWt,

parametry wytwarzanej pary: ciśnienie 600 kPa, temperatura 200oC,

temperatura wody opuszczającej wymiennik KWT 83,1oC.

Algorytm obliczeń cieplnych zamieszczono w referacie [10]. W tablicach 1 ÷ 3 zamieszczono

wyniki obliczeń bilansowych, natomiast w tablicy 4 umieszczono wyniki obliczeń wskaźni-

ków oceny energetycznej eksploatacji.

Rys. 1. Schemat technologiczny układu kogeneracyjnego z silnikiem tłokowym z zaznaczonymi osłonami bilan-

sowymi

Page 5: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

Wartość sprawności elektrycznej układu na poziomie 41,8% jest zbliżona dla wartości spraw-

ności elektrycznej podanej przez producenta dla układu pracującego na gazie ziemnym [6].

Jest to stosunkowo wysoka wartość, biorąc pod uwagę, że średnia moc elektryczna wynosiła

75% mocy znamionowej tego silnika przy zasilaniu gazem ziemnym.

Tablica 1. Wyniki obliczeń bilansowych dla układu silnikowego

Lp. Wielkość Jednostka Wartość

1. Energia doprowadzona:

strumień energii paliwa kW 7009

strumień entalpii powietrza kW 0

2. Energia wyprowadzona:

moc efektywna silnika kW 3002

moc elektryczna kW 2930

strumień entalpii spalin kW 2127

strumień ciepła chłodzenia

silnika kW 1398

strumień ciepła chłodzenia

mieszanki kW 291,9

strumień strat ciepła do

otoczenia kW 190

3. Sprawność elektryczna silnika % 41,80

Tablica 2. Wyniki obliczeń bilansowych dla kotła odzyskowego

Lp. Wielkość Jednostka Wartość

1. Energia doprowadzona:

strumień entalpii spalin kW 2127

strumień entalpii wody

zasilającej kW 226

2. Energia wyprowadzona:

strumień entalpii spalin

wylotowych kW 720

strumień entalpii pary

przegrzanej kW 1504

strumień strat ciepła

do otoczenia kW 128

strumień ciepła

przekazywany w kotle

odzyskowym

kW 1279

3. Temperatura spalin wyloto-

wych oC 151,7

Temperatura spalin wylotowych z kotła odzyskowego na poziomie 151,7oC jest stosunkowo

wysoka i dlatego należałoby zastanowić się nad większym wykorzystaniem energii fizycznej

spalin np. poprzez zainstalowanie dodatkowego wymiennika do podgrzania wody uzdatnionej

lub wstępnego podgrzania powietrza do spalania w okresach zimowych.

Page 6: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

Tablica 3. Wyniki obliczeń bilansowych dla podgrzewaczy wody

Lp. Wielkość Jednostka Wartość

1. Energia doprowadzona:

strumień entalpii wody

surowej kW 271

strumień ciepła

chłodzenia silnika kW 1398

strumień ciepła

chłodzenia mieszanki kW 291,9

2. Energia wyprowadzona:

strumień entalpii wody

uzdatnionej kW 1876

strumień strat ciepła do

otoczenia z KWT kW 69,8

strumień strat ciepła do

otoczenia z GWT kW 14,6

strumień ciepła przeka-

zywany w wymiennikach kW 1605

3. Strumień podgrzewanej wody kg/s 5,39

W analizowanym układzie uzyskuje się moc cieplną na poziomie 1,6 MW, która jest wyko-

rzystywana do podgrzewania wody. Stosunkowo niska temperatura podgrzania wody na po-

ziomie 83oC może stanowić ograniczenie w jej wykorzystaniu.

Tablica 4. Wyniki obliczeń wskaźników oceny energetycznej

Lp. Wielkość Jednostka Wartość

1. Stopień wykorzystania

energii chemicznej paliwa % 84,16

2. Wskaźnik skojarzenia - 0,9869

3. Oszczędność strumienia

energii chemicznej paliwa kW 5074

4. PES % 42

Stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa na poziomie 84,16% jest wysoki i jedno-

cześnie typowy dla układów kogeneracyjnych wyposażonych w silnik tłokowy [8].

4. ANALIZA ENERGETYCZNA UKŁADU Z KOTŁEM I TURBINĄ PAROWĄ

Na rys. 2 przedstawiono schemat układu wyposażonego w kocioł i turbinę parową, opraco-

wany w oparciu o schemat cieplny układu zainstalowanego w Koksowni Przyjaźń Sp. z o.o..

Paliwo, którym jest gaz koksowniczy, doprowadzone jest do kotła K. Produkowana w kotle

para doprowadzana jest do kondensacyjnej turbiny parowej SST-600-G&V, gdzie ulega roz-

prężeniu. Energia mechaniczna uzyskiwana na wale turbiny służy do napędu generatora G, w

którym produkowana jest energia elektryczna. Turbina wyposażona jest w pięć upustów rege-

Page 7: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

neracyjnych. Z pierwszego i drugiego upustu para przegrzana kierowana jest do wysokopręż-

nych wymienników regeneracyjnych XW2 oraz XW1. Skropliny opuszczające wymienniki

kierowane są do odgazowywacza OD. Para z trzeciego upustu zasila odgazowywacz OD oraz

wymiennik ciepłowniczy WC, w którym podgrzewane jest powietrze. Skropliny

z wymiennika ciepłowniczego WC kierowane są do odgazowywacza OD. Para z trzeciego i

czwartego upustu turbiny kierowana jest do niskoprężnych wymienników regeneracyjnych

XN2 i XN1, gdzie następuje wstępne podgrzanie kondensatu głównego opuszczającego skra-

placz SK. Po podgrzaniu w wymiennikach XN1 i XN2 kondensat dopływa do odgazowywa-

cza OD, zaś skropliny kierowane zostają do skraplacza SK.

Podstawowe parametry analizowanego układu przedstawiają się następująco:

znamionowa moc elektryczna 71,58 MW,

ilość ciepła produkowanego w WC 6,66 MW,

parametry pary świeżej: ciśnienie 12,2 MPa, temperatura 540oC,

strumień pary świeżej 79,72 kg/s,

sprawność energetyczna kotła 93% [12].

Algorytm obliczeń cieplnych zamieszczono w referacie [11]. W tablicy 5 zamieszczono wy-

niki obliczeń bilansowych przeprowadzonych z wykorzystaniem opracowanego modelu bi-

lansowego oraz wskaźników oceny energetycznej eksploatacji.

Tablica 5. Wyniki obliczeń bilansowych układu z kotłem i turbiną parową

Lp. Wielkość Jednostka Wartość

1. Strumienie pary do wymienników regeneracyjnych:

strumień substancji pary

z upustu pierwszego kg/s 5,654

strumień substancji pary

z upustu drugiego kg/s 5,472

strumień substancji pary

z upustu trzeciego kg/s 5,911

strumień substancji pary

z upustu czwartego kg/s 3,816

strumień substancji pary

z upustu piątego kg/s 5,558

2. Strumień i stopień suchości pary do skraplacza:

strumień substancji kg/s 53,31

stopień suchości - 0,8612

3. Strumień energii chemicznej paliwa do kotła kW 191269

4. Sprawność elektryczna % 37,42

5. Stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa % 40,91

Page 8: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy
Page 9: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

Rys. 2. Schemat technologiczny układu z kotłem i turbiną parową z zaznaczonymi osłonami bilansowymi.

Wartość stopnia suchości pary do skraplacza jest bliska dolnym wartościom granicznym,

określającym bezpieczną eksploatację turbiny parowej. Pozostawia to niewielkie możliwości

dla jego dodatkowego obniżenia. Sprawność elektryczna układu kształtuje się na poziomie

37,42% co daje wartość typową dla układów wyposażonych w turbozespoły o podobnej mocy

znamionowej.

5. UWAGI KOŃCOWE I WNIOSKI

W artykule przedstawiono analizę energetyczną układów kogeneracyjnych wykorzystujących

energię chemiczną gazu koksowniczego i wyposażonych w silnik tłokowy z kotłem odzysko-

wym oraz kocioł i turbinę parową .

Układ z silnikiem tłokowym ze sprawnością elektryczną na poziomie 41,8% oraz stopniem

wykorzystania energii chemicznej paliwa wynoszącym 84,2% charakteryzuje się lepszymi

wskaźnikami oceny energetycznej niż układ z kotłem i turbiną parową ze sprawnością elek-

tryczną na poziomie 37,4% oraz stopniem wykorzystania energii chemicznej paliwa 40,9%.

Wartość wskaźnika PES dla układu z silnikiem tłokowym na poziomie prawie 42% pozwala

ubiegać się o uzyskanie świadectwa pochodzenia. Układ z kotłem i turbiną parową nie osiąga

sprawności granicznej i nie może ubiegać się o otrzymanie świadectwa pochodzenia. Jest to

spowodowane niską wartością strumienia ciepła przekazywanego w wymienniku ciepłowni-

Page 10: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

czym a tym samym niską wartością mocy energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu

na poziomie 4,71% mocy nominalnej.

Do największych wad układu tłokowego można zaliczyć duży udział produkcji ciepła nisko-

temperaturowego na poziomie temperaturowym ok. 90oC oraz konieczność stosowania głę-

bokiego oczyszczania gazu. Mimo to układ z silnikiem może być atrakcyjnym rozwiązaniem

ze względu na wysoki stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa, możliwość ubiegania

się o uzyskanie świadectwa pochodzenia oraz niskie nakłady inwestycyjne [9].

Największymi wadami układu wyposażonego w kocioł i turbinę parową są stosunkowo wy-

sokie nakłady inwestycyjne [12] oraz niska sprawność elektryczna na poziomie 37,42%. Nie-

wątpliwą zaletą takiego układu jest możliwość spalania gazu o gorszej czystości.

Podsumowując, obydwa układy mogą stanowić korzystne rozwiązanie problemu utylizacji

nadmiarowego gazu koksowniczego.

LITERATURA

[1] Babiński P., Robak Z., Łabojko G., Figiel Z., Kalinowski K.: Przystosowanie gazu

koksowniczego do wykorzystania. Polityka Energetyczna 2012, tom 15, zeszyt 4.

[2] Karcz A.: Gaz koksowniczy jako surowiec do produkcji wodoru. Polityka Energetyczna

2009, tom 12, zeszyt 1.

[3] Sobolewski A., Ściążko M., Robak Z., Rudkowski M., Borowiec Z.: Coke oven gas as

a fuel for gas engine. Combustion Engines, vol. 153 (3), 2013.

[4] Figiel Z., Robak Z.: Współczesne kierunki zagospodarowania koksowniczego gazu

nadmiarowego. Konferencja „Koksownictwo 2014”, Wisła, 2014

[5] Krawczyk P.: Wykorzystanie gazu koksowniczego do produkcji energii elektrycznej

i ciepła na bazie silnika tłokowego w procesie wysokosprawnej kogeneracji na przy-

kładzie Elektrociepłowni Nowa Częstochowa. Konferencja „Rynek Gazu”, 2014.

[6] Materiały informacyjne firmy Deutz AG, 2005.

[7] Ziębik A., Liszka M., Hoinka K., Stanek W.: Poradnik inwestora i projektanta ukła-

dów wysokosprawnej dużej kogeneracji. Politechnika Śląska, Gliwice, 2012.

[8] Skorek J., Kalina J: Gazowe układy kogeneracyjne. WTN, Warszawa, 2005.

Page 11: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

[9] Skorek J.: Techniczno-ekonomiczna analiza porównawcza budowy gazowych układów

kogeneracyjnych małej mocy z silnikiem tłokowym lub turbiną gazową. INSTAL

4/2012.

[10] Kasprzyk S., Rusinowski H., Plis M.: Ocena energetyczna wykorzystania energii gazu

koksowniczego w układzie kogeneracyjnym z silnikiem tłokowym. Konferencja „Rynek

Ciepła, Rynek Gazu”, 2016.

[11] Kasprzyk S., Rusinowski H., Plis M.: Ocena energetyczna wykorzystania energii gazu

koksowniczego w układzie z kotłem i turbiną parową. Konferencja „Rynek Ciepła,

Rynek Gazu”, 2016.

[12] Figiel Z., Robak Z.: Współczesne kierunki zagospodarowania koksowniczego gazu

nadmiarowego. Konferencja „Koksownictwo 2014”, Wisła, 2014

[13] Kosyrczyk L., Świeboda B., Lewandowski L.: Co nowego w Chińskim koksownictwie.

Karbo 2012, nr 4.

[14] Walas M.: Chińczycy trzymają się mocno. Magazyn Koksowniczy 2012, nr 8/9.

ENERGY ASSESSMENT OF THE USAGE OF COKE-OWEN GAS ENERGY IN

UNITS EQUIPPED WITH A GAS PISTON ENGINE AND STEAM BOILER AND

STEAM TURBINE

Key words: coke-owen gas, steam turbine, gas piston engine, CHP unit, energy assessment

Summary. In many industrial processes the common by-products are flue gases with diverse low heating value.

One of such by-products is coke-oven gas. These gases depending on the needs and possibilities are utilized

directly in industrial units, lowering the consumption of standard high-calorie fuels which increases the efficien-

cy of the actual industrial processes. The surplus of such by-products can be utilized in an energy-efficient way.

The article presents an energy assessment of an exemplary CHP unit equipped with a gas piston engine with

power of 2.9 MW powered with coke-oven gas and an exemplary unit equipped with steam boiler and steam

turbine to produce electrical energy with power of 71 MW. The energy assessment has been conducted on the

basis of a developed model which encompasses mass and energy balance equations formulated for the particular

devices. Moreover, energy assessment indicators which characterize the efficiency of units to produce electrical

energy and heat also have been calculated. Calculation results have been presented in enclosed tables. On the

basis of obtained calculation results, appropriate conclusions have been formulated.

Page 12: OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU … · 2017-02-13 · nach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy

Stanisław Kasprzyk, mgr inż. – absolwent Politechniki Śląskiej w Gliwicach na kierunku

Energetyka, obecnie pracownik firmy ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. na stanowisku młodszy

specjalista ds. cieplnych obiegów energetycznych w Dziale Turbinowym Zakładu Techniki

Cieplnej. Aktualnie w głównej mierze zajmuje się analizami efektywności energetycznej

układów pompowych obiektów energetycznych.

E-mail: [email protected]

Henryk Rusinowski, prof. dr hab. inż. – Profesor Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Zajmuje

się problematyką rachunku wyrównawczego, modelowania procesów cieplnych z wykorzy-

staniem metod analitycznych, regre-syjnych, neuronowych i algorytmów ewolucyjnych oraz

tworzeniem systemów diagnostyki cieplnej w energetyce zawodowej i przemysłowej. Szero-

ko współpracuje z przemysłem, m. in. w badaniach pieców w hutnictwie miedzi, wdrażaniu

komputerowych systemów kontroli eksploatacji bloków energetycznych i ciepłowniczych

(Elektrownia Opole, Elektrownia Jaworzno, Kogeneracja Wrocław). Jego hobby to turystyka i

podróże zagraniczne.