DEMO LTD - Библиотека >> Статьи >> Новые разработки в сфере мини

Котел Виктор [viktor.shtml] Новинки Котлы Горелки Кондиционеры Блочные мини-ТЭЦ Насосы Теплопункты Автоматика Комплектующие Архитектура Солнечные коллекторы Цены Viessmann Теория и практика Работы Цены Котельные установки Блочные теплопункты Вентиляция и кондиционирование Статьи О нас Контакт главная страница | german version | english version Производство Оборудование Энергоаудит Монтаж/Наладка Библиотека О компании Библиотека >> Статьи >> Новые разработки в сфере мини-ТЕЦ Напечатано в журнале "Электропанорама" №5/2000. Новые разработки в сфере мини-ТЕЦ Мини-ТЭЦ - это установки, предназначающиеся для использования в многоквартирных и одноквартирных домах, а также на мелких предприятиях. Для жилых домов их мощность составляет от нескольких сотен ватт до 5 кВт. Для малых промышленных предприятий - свыше 5 кВт. Для применения в жилых домах имеется две новые перспективные технологии, способные в среднесрочной перспективе соответствовать требованиям по стоимости и общему КПД при очень незначительной эмиссии вредных веществ в атмосферу: стирлинг-моторы и топливные элементы. В промышленности, предъявляющей более высокие требования к энергии, чем жилой фонд, и нуждающейся дополнительно в технологическом паре, выгоднее использовать небольшие газовые турбины. Новые разработки в области газовых турбин с внутренней рекуперацией тепла, параллельной работой генераторов, силовой электроники с регулированием напряжения вне зависимости от скорости вращения позволяют достичь сравнительно высокого КПД при частичной нагрузке вплоть до 10 кВт при незначительной эмиссии и сравнительно небольших инвестиционных расходах. Топливные элементы характеризуются очень высоким КПД при полной или частичной электрической нагрузке и имеют чрезвычайно низкие показатели эмиссии вредных веществ. Стирлинг-моторы имеют низкий уровень шума и почти не нуждаются в обслуживании, а также характеризуются очень незначительной эмиссией благодаря использованию внешнего непрерывно горящего источника тепла. Эти технологии пригодны для использования в низкоэмиссионных электрогенерирующих отопительных приборах. Использовать мини-ТЭЦ в одноквартирных и многоквартирных жилых домах, по мнению разработчиков, можно с встроенной отопительной частью для покрытия тепловых пиков и без нее. В любом случае предполагается чрезвычайно большое количество пусков или же работа в условиях неполной загрузки по сравнению с нормальной работой мини-ТЭЦ. Разработки в области топливных элементов сконцентрированы на типах ПЭМ и SOFC. В силовых установках со стирлинг-агрегатами используются различные виды конструкций. Мини-ТЭЦ сейчас работают на базе газовых моторов и газовых турбин. Нижняя граница электрической мощности, при которой работа ТЭЦ на базе газовых моторов еще представляется целесообразной, составляет модульную величину порядка 5 кВт эл , а на базе газовых турбин -500 кВт эл . Для коттеджей и многоквартирных домов или для небольших производств необходимы ТЭЦ значительно более низкой мощности. Две новые концепции - топливные элементы и стирлинг-моторы - в силу их специфических свойств вселяют надежду, что их можно будет применять в жилом секторе. Эксплуатация на природном газе обеспечивает им практически бесшумную работу и незначительное количество вредных веществ, что делает их применение в жилых и производственных постройках целесообразным как с технической, так и с экологической точки зрения. Успешный выход на рынок в любом случае предполагает экономическую конкурентоспособность по отношению с сегодняшнему стандарту, т.е. теплоснабжению через отопление в сочетании с полным электроснабжением от сети. Топливные элементы Топливные элементы представляют собой электрохимические преобразователи типа батареек, но с непрерывной подачей продуктов реакции. Они непосредственно преобразуют поступающие продукты реакции (водород и кислород) в электричество, тепло и воду. В результате этого проявляются такие важные свойства топливных элементов как высокий электрический КПД при полной и частичной загрузке при очень незначительной эмиссии вредных веществ, которая возникает из-за подключения горелочного устройства для подготовки водорода из жидких энергоносителей. При использовании в ТЭЦ кислород получают из окружающего воздуха, а водород - недорого и с минимальной эмиссией - из природного газа. Отсутствие механических компонентов в батарее элементов дает основание ожидать, что они почти не будут нуждаться в техобслуживании и будут иметь продолжительный срок эксплуатации. Необходимость решать вопросы экологии и желание производить полезную энергию рационально и щадя окружающую среду дали толчок развитию различных технологий топливных элементов, в том числе и для мини-ТЭЦ с использованием жидких энергоносителей, К ним относятся: полимерно-электролитические топливные элементы (полимерно-электролитические мембраны (Fuel Cell, РЕМ или PMFC); фосфорно-кислотные топливные элементы (фосфорно-кислый Fuel Cell, PAFC); топливные элементы из карбонатного сплава (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC); минералокерамические топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC). Топливные элементы различаются по виду используемого электролита и рабочей температуре (табл. 1). PEM (ПЕМ) PAFC MCFC SOFC электролит фторированная полимерная пленка фосфорная кислота расплав карбоната со стсабилизированным иттрием диоксидом циркония рабочая температура, °С 80 200 650 700-1000 системный КПД, % 40 40 50-60 50-60 В принципе можно считать, что низкие рабочие температуры предъявляют низкие требования к материалам относительно выносливости и, напротив, высокие требования к газоподготовке, и дают более низкий КПД. Абсолютно противоположная ситуация у топливных элементов с высокими рабочими температурами. Разработки по применению PAFC и MCFC в мини-ТЭЦ в настоящее время приостановлены. Эти типы обусловливают при холодном пуске переход электролита из твердой в жидкую фазу. Так как в самом малом классе мощностей требуется частое повторение процесса пуска, это приводит к тому, что фаворитами становятся топливные элементы типа РЕМ (ПЭМ) и SOFC с твердым электролитом. Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (РЕМ - ПЗМ) Электролит ПЭМ состоит из тончайшей полимерной пленки. Реакция в элементе эpтого типа протекает при температуре на уровне 80°С, в силу чего возможности использования уходящего тепла ограничены. К качеству топливного газа и его подготовке предъявляются высокие требования. Положительными качествами ПЭМ являются невысокие термические требования к материалу, высокая мощностная плотность и способность к быстрому и холодному пуску. Недостатком является то, что большая мощностная плотность обусловливает работу батареи элементов с высоким давлением. Это создает необходимость в дополнительных механических компонентах, затратах на регулирование и шумовой эмиссии. Для ПЭМ требуется устройство предварительной газоподготовки, включающее в себя удаление серы и Shift-конвертор для оксидации вредного для стопки топливных элементов СО, так что загрязнение горючего газа должно быть сокращено до минимума. На рис. 1 показана схема полной силовой установки с топливными элементами в том виде, в каком она разработана фирмой "Вайлант" для параллельной работы с сетью. Система в целом дополняется горелкой дожига (форсажной камерой), теплоносителем (теплопередачей) для отбора полезного тепла и инвертором (преобразователем постоянного тока в переменный). Горелка дожига использует избыточный горючий газ стопки элементов для производства тепла, а инвертор преобразует постоянный ток стопки элементов в обычный для домашней электросети переменный ток. Топливные элементы ПЭМ при условии предварительного реформинга достигают электрического КПД порядка 40%. Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (SOFC) Топливный элемент SOFC имеет керамический электролит. Это является его достоинством, так же как и у ПЭМ, из-за многократных процессов пуска. Однако для достижения способности вступать в реакцию и уменьшения теплового напряжения этот элемент нуждается в предварительном подогреве. Рабочие температуры достигают уровня 900°- 1000°С; проводится работа в направлении снижения рабочей температуры до уровня ниже 700°С. Высокая температура создает возможности для работы топливного элемента SOFC на природном газе с энергетически выгодным внутренним реформингом и для использования недорогих катализаторов, не содержащих благородных металлов. Ожидаемый електрический КПД системы составляет порядка 50%. Для использования в мини-установках для комбинированного производства тепловой и электрической энергии фирма "Зульцер-Хексис" (Sulzer-Hexis) разработала силовую установку для параллельной сетевой работы. Топливный элемент фирмы "Зульцер-Хексис" является удачным вариантом решения проблемы плотности при тепловом расширении по сравнению с обычными стопками элементов. На рис. 2 показана принципиальная схема установки в целом. В классе мощностей от 1 до 3 кВТэл сегодня уже производятся полевые испытания. Элемент SOFC имеет перспективы только для применения в сфере комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Из-за отсутствия синергизма с мобильными установками ожидаются меньшие партии по сравнению с ПЭМ. Связанные с этим незначительные резервы снижения затрат должны, с экономической точки зрения, чем-то компенсироваться, например, за счет более высокого КПД или уменьшения затрат на реформинг. Силовые установки с топливными элементами Типы актуальных разработок по мини-установкам приводятся в табл. 2. Корпорация Plug Power разработала для американского рынка концепцию ПЭМ в качестве чистого электрогенератора с целью замены центрального электроснабжения таких крупных потребителей электроэнергии в жилых домах, как кондиционерные системы, без потерь на распределение. Первое полевое испытание работы установок на чистом водороде проводится в США в одном из коттеджей с 1998 г. Тем временем продолжалась разработка установки, работающей на природном газе. В ближайшие два года будут проводиться полевые испытания в г. Нью-Йорк. Для Европы разрабатываются установки с отбором тепловой энергии. Тип Изготовитель Мощность эл./тепл. (кВт) Исполнение PEM American Fuell Cell Corp 3/8 режим работы параллельно с сетью/изолир. режим работы PEM Вайлант 5/35 режим работы паралельно с сетью с дополнительным внутренним отоплением PEM Plug Power Corp. 7/- чистое производство тока PEM Сименс 5/9 режим работы параллельно с сетью SOFC Зульцер-Хексис 1/3 режим работы параллельно с сетью На фирме "Вайлант" продвигается разработка электрогенерирующего отопительного устройства с топливным элементом. В соответствии с проектом целью разработки является устройство, имеющее размеры обычного отопительного котла. Готовятся полевые испытания. Первая серия этих приборов, предназначенных для эксплуатации в маленьких коттеджах, появится на рынке в 2002 году. За ними последуют меньшие приборы для коттеджей. Отопительные приборы с топливным элементом SOFC фирмы "Зульцер-Хексис" в настоящее время проходят полевые испытания в Германии и Швейцарии, в частности, на фирме "Тиссен-газ" в Дуйсбурге и EWE в Олденбурге. Перечень приборов с отопительными элементами приводится в табл. 3. Тип Изготовитель Партнер/пользоватнль Полевые испытания PEM American Fuell Cell Corp HGC; VNG Heingas Rhenag Wingas Erdgashaus Maxepн Гамбург Мюльгайм (Рур) Людвигсбург (запланир.) PEM Вайлант - в стадии подготовки PEM Plug Power Corp. - штат Нью-Йорк США PEM Сименс - - SOFC Зульцер-Хексис Thyssengas EWE Дуйсбург Олденбург Стирлинг-моторы Стирлинговый мотор нагретого газа восходит к изобретению Роберта Стирлинга (Великобритания), сделанному в 1816 году. С конца 80-х годов во всем мире проводится усиленная разработка стирлинговых моторов небольшой мощности с целью их использования в мини-ТЭЦ. Некоторые из них применяются в демонстрационных установках и при полевых испытаниях мини-ТЭЦ. Принцип действия и свойства стирлингового мотора Принцип действия мотора основывается на замкнутом тепловом процессе с внешним источником тепла, а также отводом тепла. Рабочая среда колеблется вследствие изменения объема между источником тепла и отводом тепла и при этом производит работу на рабочем поршне и вытеснительном поршне (для подачи топлива), которые разделяют два рабочих объема между источником тепла и отводом тепла. Важным признаком стирлинговых моторов является то, что среда во время процесса переливания между рабочими пространствами должна проходить рекуператор, где она попеременно отдает тепло и снова (частично) получает. Возможности применения механических свойств стирлингового процесса многообразны. В мини-ТЭЦ в качестве источника тепла можно использовать тепло уходящих газов от отопительной установки. Остающееся тепло уходящих газов, равно как и тепло от теплоотвода могут далее отводиться для целей отопления, а избыточная механическая мощность может использоваться для производства электроэнергии. Это обеспечивает высокий общий КПД и теоретически также высокий электрический КПД. Однако на практике высокий электрический КПД не достигается. Сложности с его получением возникают из-за теплопереноса как на горячем, так и на холодном конце, а также на рекуператорах, требующих больших площадей переноса и достаточного времени переноса. На практике достигается электрический КПД порядка 35%, причем на небольших агрегатах прослеживается тенденция скорее к 15%. Для мини-ТЭЦ решающее значение имеет очень высокий общий КПД. Электрический ток возникает как побочный продукт при производстве тепла. Прочими достоинствами стирлингового мотора являются низкие показатели вредных веществ внешнего горения, работа мотора с низким уровнем шума, а также потенциально большой срок службы при незначительном техобслуживании. Разработка мини-ТЭЦ со стирлинговыни моторани Табл. 4 дает представление о текущих разработках и их статусе. Компания "Бритиш газ" на основе стирлингового мотора с линейным самобалансным колебателем разработала демонстрационный образец настенного устройства для бытового использования и с 1997 года уже в достаточной мере испытала его. Агрегат используется как соответствующее отопление дома и при этом дополнительно производит ток с электрическим КПД 15%. Тип Изготовитель Полевые испытания Мощность эл./тепл. (кВт) КПД(эл)/КПД(общ) самобалансный колебатель STC (США) и Бритиш газ Бритиш газ 1/5 >15 Одноцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич) Сигма Норвегия - 3/9 расчетные данные 20-25/80-95 Одноцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич) самобалансный колебатель СИГ Швейцария Газуния (Нидерланды) Городские сети в Швейцарии 1,1/5,5 расчетные данные при конденсации уходящего газа 25/94 четырехцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич) Виспер-Джен Новая Зеландия Газуния (Нидерланды) 0,75/5 10 Швейцарская фирма "СИГ" (SIG) также разрабатывает агрегат с линейным самобалансным колебателем. Это устройство, предназначающееся как для параллельной работы с внешней сетью, так и изолированной работы (принцип острова), имеет такие расчетные параметры: электрический КПД около 25% и общий КПД более 94% при конденсации уходящих газов. Полевые испытания первых прототипов начаты в феврале 2000 г. фирмы "Сигма" из Норвегии и "Виспер-ген" из Новой Зеландии специализируются на кинематических стир-линговых моторах с кривошипно-шатун-ным механизмом "Сигма" или с криво-дисковым приводом "Виспер-ген". Планируются полевые испытания агрегатов "Сигма". Полевые испытания агрегатов "Виспер-ген" проводятся с конца 1998 г. в Нидерландах. Новозеландский агрегат, работающий на жидком топливе, был разработан для электроснабжения малых судов и удаленных дачных домов. В Нидерландах фирма "Витрон энерги" (Vietron Energie) продает соответствующие приборы по цене около 20 000 немецких марок. Для бытового применения они были доработаны и встраиваются в котельную систему с теплонакопителем. Новые компактные газовые турбины для мини-ТЗЦ Газовые турбины находят широкое применение в производстве электроэнергии в GuD-процессах или как агрегаты пикового тока. Электрический КПД больших установок составляет 35 -38%, характеристики при частичной нагрузке скорее неудовлетворительные. Однако большой срок службы, очень незначительные инвестиционные затраты в мегаваттом диапазоне мощностей, большая доля пригодной для использования энергии уходящих газов и очень небольшая эмиссия вследствие непрерывного горения являются достоинствами этой технологии. Поэтому до настоящего времени было нецелесообразно применять турбины в диапазоне мощностей менее 500 кВт эл . Это стало возможным только в результате комбинации двух мероприятий: рекуперации и обратной подачи части объемного потока уходящего газа в компрессор с одной стороны и прямого присоединения генератора. В сочетании с не зависящим от скорости вращения инвертированием тока посредством силовой электроники достигаются наряду с приемлемыми показателями электрического КПД более 25% и общего КПД более 70% также хорошие показатели КПД при неполной нагрузке. Эти последние параметры имеют решающее значение для использования на небольших объектах. Небольшие газовые турбины в настоящее время разрабатываются многими производителями, такими, к примеру, как Allied Signal Engines, Northern research & Engineering Corp., Turbec, Capstone Turbine и Bowman. Образцовыми считаются разработки фирм Capstone и Bowman, фирма Bowman предлагает свою газовую турбину с переменной рекуперацией для приспособления к разным тепловым потребностям в классе величин 45 кВтдл. Планируется также вариант на 60 кВт эл . Газовая турбина фирмы Capstone дооборудована фирмой ГАЗ (GAS) для потребителей тепла на европейском рынке. Этот агрегат имеет мощность более 28 кВт эл при КПД около 26% и общем коэффициенте использования свыше 70%. Агрегат может при неполной нагрузке развивать мощность до 10 кВт эл при КПД менее 18%. Используемая температура уходящих газов составляет от 250 до ЗОО°С. Примеры исполнения малых мини-ТЭЦ демонстрируют достаточно высокое развитие. В целом можно отметить больший интерес к мини-ТЭЦ, основанным на топливных элементах. Это объясняется их более высоким электрическим КПД, которого можно достичь даже в диапазоне неполной нагрузки и с небольшими капиталовложениями, а также тем финансовым толчком к их разработке, который исходит от автомобильной промышленности. Особенно топливные элементы ПЭМ имеют большой потенциал для снижения затрат. Таким образом, топливные элементы располагают хорошим соотношением выполняемой работы и инвестиционных затрат. Однако именно по топливным элементам эти затраты пока что очень велики. Предполагаемый потенциал по снижению затрат еще только предстоит реализовать. Здесь стирлинговые агрегаты, по крайней мере в среднесрочной перспективе, имеют преимущество. В силу того, что их технология изготовления сопоставима с технологией изготовления традиционных моторов внутреннего сгорания, их потенциал по снижению затрат легче рассчитать. Однако здесь особенно в недорогих, простых решениях достигается более низкий электрический КПД порядка 15 - 20%. Преимущество заключается в возможности их сочетания с модифицированными отопительными установками домов, а также в низких показателях эмиссии вредных веществ, уровня шума и необходимости техобслуживания. Шансы утверждения на рынке подобных мини-ТЭЦ существенным образом определяются необходимыми инвестиционными расходами. Малые газовые турбины уже запущены в серийное производство. Примеры показывают, что имеется отличный потенциал для данного применения при конкурентоспособных инвестиционных затратах и длительном сроке службы. Успех этих установок не заставит себя ждать. контактная информация | © www.at-eat.com | дизайн: vlydesign вверх