Важным элементом реализации программы энергосбережения является обеспечение автономными источниками электроэнергии и тепла небольших жилых образований и удаленных от централизованных сетей потребителей. Для решения этих задач как нельзя лучше подходят инновационные установки для генерации электроэнергии и тепла на основе двигателей внешнего сгорания. В качестве топлива может использоваться как традиционные виды топлива, так и попутный нефтяной газ, биогаз, получаемый из древесных стружек и пр.
На протяжении последних 10 лет отмечались повышения цен на ископаемое топливо, повышенное внимание к выбросам СО2, а также растущее желание перестать зависеть от ископаемого топлива и полностью обеспечивать себя энергией. Это стало следствием развития огромного рынка технологий, способных производить энергию из биомассы.
Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале XIX-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.
Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине XIX-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.
После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце XIX-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания.
Принцип работы двигателя внешнего сгорания
В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.
Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.
Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.
Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.
Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.
После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.
Энергосберегающие технологии: Теплоэнергетическая установка FX-38 на основе двигателя внешнего сгорания с сжиганием газообразного топлива
Принцип работы
Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это — тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.
Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.
Общее описание
Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль «двигатель-генератор», который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.
Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.
Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.
Частота
50 Гц
Мощность
38 кВт
Электрический КПД
28%
Температурная мощность
65 кВт-ч
Общий КПД
75%
Дополнительные детали и опции
- Модуль измерения мощности (обеспечивает установленный трансформатор тока для считывания на дисплее параметров переменного тока)
- Опция дистанционного мониторинга по интерфейсу RS-485
- Опции встроенного, либо удаленно смонтированного радиатора
- Опция использования пропанового топлива
- Опция использования природного газа
- Опция использования попутного нефтяного газа
- Опция использования топлива низкой энергоемкости
Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:
- Параллельное подключение к высоковольтной сети при 50 Гц, 380 В переменного тока
- Режим совместной выработки тепла и электроэнергии
Эксплуатационные характеристики установки
Выходная мощность складывается из электрической мощности и тепловой мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с тепловым коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электрическую мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные потери, связанные с радиатором системы охлаждения, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.
В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.
Техническое обслуживание
Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.
Бесперебойность
Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.
Уровень звукового давления
Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.
Выбросы
При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм3 NOx, 15,5 г/Нм3 летучих органических соединений и 0,345 г/Нм3 СО.
Газообразное топливо
Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм3, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:
Тип топлива
Диапазон теплоты сгорания
Газообразный пропан
прим. 90,6 МДж/Нм3
Высокая энергоемкость
прим. 35,4 МДж/Нм3
Средняя энергоемкость
14,8-23,2 МДж/Нм3
Низкая энергоемкость
13,8-23,2 МДж/Нм3
Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.
Окружающая среда
Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.
Описание установки
Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.
Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.
После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.
После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.
В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.
Описание узлов установки
Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.
Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.
Установка FX-38 без встроенного радиатора
Установка FX-38 со встроенным радиатором
Вес установки: около 1770 кг.
Двигатель является 4-цилиндровым (260 см3/цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:
- Вентилятор подачи воздуха в камеру сгорания, приводится в действие двигателем
- Воздушный фильтр камеры сгорания
- Топливная система и кожух камеры сгорания
- Насос для смазочного масла, приводится в действие двигателем
- Охладитель и фильтр для смазочного масла
- Водяной насос системы охлаждения двигателя, приводится в действие двигателем
- Температурный датчик воды в системе охлаждения
- Датчик давления смазочного масла
- Датчик давления и температуры газа
- Все необходимое контрольное и защитное оборудование
Характеристики генератора приводятся ниже:
- Номинальная мощность 38 кВт при 50 Гц, 380 В переменного тока
- Электрический КПД 95,0% при коэффициенте мощности 0,7
- Возбуждение от коммунальной электросети при помощи индукционного мотора/генераторного возбудителя
- Менее 5% общих гармонических искажений от отсутствия нагрузки до полной нагрузки
- Класс изоляции F
Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.
Панель цифрового интерфейса
Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.
Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.
Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:
Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.
Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.
Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.
Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.
Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.
Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 1/2 дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.
Инновации в энергосбережении: Теплоэнергетическая установка на основе двигателя внешнего сгорания со сжиганием биогаза
Одним из видов топлива, использующегося в двигателях внешнего сгорания, служит биогаз. Инновационная теплоэнергетическая установка на основе двигателя внешнего сгорания преобразует биогаз в энергию и тепло. Установка состоит из следующих компонентов:
- Система подачи горючего, которая автоматически перемещает биомассу из зоны хранения в систему сжигания топлива
- Система сжигания топлива, где биомасса сгорает и, таким образом, преобразуется в горячие топливные газы
- Двигатель внешнего сгорания, расположенный на системе сжигания топлива таким образом, чтобы топливные газы подогревали теплообменный аппарат, так называемый «нагревательный прибор» двигателя внешнего сгорания
- Система подачи охлаждающей воды, которая охлаждает вторую часть двигателя внешнего сгорания
- Система управления, которая обеспечивает автоматическое и дистанционное управление установкой без обслуживающего персонала
Установка использует в качестве топлива биомассу. Внутренняя часть машины наполняется гелием, и в нее нагнетается давление 40 бар. Под давлением находятся и горячая, и холодная сторона двигателя, включая механизм и генератор. Это сводит к минимуму разность давлений между горячей и холодной сторонами машины. Более того не используется смазочное масло.
Горячая сторона двигателя нагревается до уровня около 700°С, а холодная сторона охлаждается при помощи охлаждающей воды до уровня 40-80°С. Это создает разность температур около 600°С.
Для получения эффективной передачи тепла в двигатель температура источника тепла должна быть значительно выше 700°С. Двигатель имеет четыре цилиндра и производит электрическую мощность 35 кВт.
Древесные стружки подаются в газификатор с восходящим движением воздуха через винтовой конвейер (А). Внутри газификатора с восходящим движением воздуха (В) находится слой древесных стружек толщиной 2 метра. В таком слое в нижней части газификатора (С) происходит контролируемый процесс сжигания с низким содержанием кислорода. В ходе этого процесса испаряются летучие частицы древесных стружек над зоной сжигания, которые выходят в верхней части газификатора как газ, полученный из древесины. Процесс газификации с восходящим движением воздуха прост и надежен, он поставляет горючий газ непосредственно в специально разработанную камеру сжигания, в которой смонтирована машина внешнего сгорания. Устройства для очистки или кондиционирования газа не требуются. Газ, полученный из древесины, отводится (D) в камеру циклического сжигания (Е), где он смешивается с предварительно нагретым воздухом и сжигается. Уровень температуры внутри камеры сжигания составляет 1200°С. Теплообменный аппарат двигателя внешнего сгорания (F) смонтирован внутри камеры сжигания, что обеспечивает нагрев машины. Одновременно двигатель внешнего сгорания охлаждается при помощи охлаждающей воды (G). В заключение отработанный газ проникает в теплообменный аппарат (Н). Часть отработанного газа отправляется обратно в газификатор с восходящим движением воздуха (I), а часть отработанного газа охлаждается при помощи охлаждающей воды (J). Оставшаяся часть отработанного воздуха выходит через трубу (К) при температуре 130°С.
Двигатель внешнего сгорания производит электроэнергию из тепла. Оставшееся тепло отработанного газа используется для предварительного нагревания воздуха в камере сжигания, а также для нагревания теплофикационной воды в экономайзере. Тепло также производится в машине и подается на решетку обогревателя.
Единственными отходами установки являются охлажденный отработанный газ с низкими уровнями содержания CO и NOx и зола, выходящая из нижней части газификатора.
Работа установки основана на двигателе мощностью 35 кВт и может изменяться в диапазоне от 35 кВт до 140 кВт.
Факты и цифры
Теплоэнергетическая установка с газификатором с восходящим движением воздуха, работающая на биомассе
Количество двигателей
1
2
3
4
Электрическая мощность (кВт)
35
70
105
140
Тепловая мощность (кВт-ч)
140
280
420
560
Потребление топлива (кг/час)*
70
140
210
280
Годовое производство энергии ** (МВт-ч)
280
560
840
1120
Годовое производство тепла ** (ГВт-ч)
1,12
2,24
3,36
4,48
Годовое потребление топлива *** (тонн/год)
560
1120
1680
2240
Сэкономленное дизельное топливо ** (тонн/год)
138
275
413
551
Предотвращенные выбросы СО2 ** (тонн/год)
435
870
1305
1740
Сэкономленный природный газ ** (тонн/год)
147
294
442
589
Предотвращенные выбросы СО2 ** (тонн/год)
335
670
1005
1341
Количество снабжаемых домашних хозяйств ****
70
140
210
280
* Исходя из использования древесных стружек с 42% влажностью
** Исходя из 8000 часов работы в год
*** Исходя из использования древесных стружек с 42% влажностью 8000 часов работы в год
**** Средние домашние хозяйства 100 м2
Спецификация
Топливо
Древесные стружки
Содержание влаги
до 55%
Электрическая мощность
35 кВт
Собственное потребление
2 кВт
Производство тепловой энергии
145 кВт
Расход воды при 45°С/80°С
3,5 м3/час
Расход топлива
200 кВт
при 40% влажности
70 кг/час
Электрический КПД, чистый
18%
КПД станции
90%
Интервалы технического обслуживания
8000 часов
Уровень выбросов
Низкий вследствие внешнего сжигания:
Типичные измеряемые значения:
CO и NOx < 50 промилле,
HC < 25 промилле
Система подходит для использования в качестве системы с основной нагрузкой для годовых тепловых нагрузок в диапазоне 1 – 10 ГВт-ч.
Установка может сочетаться либо с обычно используемым водонагревателем на топливе из древесных стружек или на водонагревателе на газовом топливе для максимальных нагрузок.
Области применения и преимущества теплоэнергетических установок на основе двигателя внешнего сгорания
Установки идеально подходит для мелкомасштабного производства электроэнергии и тепла:
- Легко контролируемое сжигание газа с низкими уровнями выбросов и высокой производительностью системы. Постоянный процесс сжигания разрушает почти 100% углеводородов и производит очень низкие уровни выбросов NOx и CO2 без содержания выхлопных газов после обработки.
- Полностью автоматическое управление
- Отсутствие необходимости очистки газа или фильтрации отработанного газа
- Гибкость и масштабируемость: компактные размеры, а также отсутствие необходимости здания делают установки идеальными для применения в различных местных условиях. Несколько установок можно легко соединить между собой в случае увеличения необходимой мощности и снабжения топливом
- Зарекомендовавшая себя технология производства
- Гибкие требования в отношении типов топлива (природный газ, пропан, попутный нефтяной газ, угольный газ, синтетический газ, биогаз)
- Низкая потребность в техническом обслуживании и продолжительный срок эксплуатации. Двигатель герметически запаян, его конструкция рассчитана на интервалы между техническим обслуживанием до 10000 часов. Так как сжигание происходит вне цилиндров, вещества, загрязняющие топливо, не скапливаются в масле двигателя. Установки содержат на 50% меньше подвижных деталей, чем в двигателях внутреннего сгорания, то есть, в них меньше быстроизнашивающихся деталей. Результат: пониженная потребность в периодическом техническом обслуживании и отсутствие необходимости замены масла на протяжении всего срока эксплуатации
- Обеспечивается распределенное производство электроэнергии с простым подсоединением к электросети, без дорогостоящего оборудования для синхронизации, и использования топлива местного производства
- Установки предназначены для местного комбинированного производства тепловой и электрической энергии в системах централизованного теплоснабжения, промышленности, жилых поселках, школах, спортивных объектах и пр. Ими можно заменить существующие системы, основанные на ископаемом топливе, или объединить ее с существующими системами. Комбинированное производство электроэнергии и тепла обеспечивает максимальный КПД и оптимальную прибыль на инвестированный капитал
- Плавная и тихая работа — в отличие от традиционных генераторов установки на основе двигателей внешнего сгорания не требуют установки устройств для уменьшения вибрации и поглощения звука
- Простота монтажа – установку можно устанавливать, не закрепляя, на гравийной площадке. Установка полностью защищена от атмосферных воздействий, то есть, не требует защитного корпуса
Источник: //www.energy-units.ru/ext_engine.php