Gazowe układy ...
Gazowe układy trójgeneracyjne-Skorek30, Sci Zagadnieniami-poukladane-materialy, ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Gazowe układy trójgeneracyjne
Jacek Kalina
Od wejścia w życie w 1997 ustawy „Prawo Energetyczne” do chwili obecnej krajowy systemie paliwowo-
energetycznym przeszedł istotną transformację organizacyjną. Obecnie można stwierdzić, że coraz większe
znaczenie zaczynają tu mieć mechanizmy rynkowe i rosnąca konkurencja między przedsiębiorstwami
energetycznymi. Wiele firm, dywersyfikując ofertę swoich produktów i usług, rozpoczyna działalność na
nowych rynkach, które do tej pory były dla nich niedostępne. Sytuacja taka niejednokrotnie stwarza konieczność
poszukiwań nowych rozwiązań technologicznych, które pozwolą na spełnienie wymagań końcowych odbiorców
końcowych, przy zapewnieniu wysokiej efektywności energetycznej oraz ekonomicznej przedsięwzięć
inwestycyjnych.
Przykładem technologii cieszącej się obecnie szerokim zainteresowaniem jest kogeneracja i trójgeneracja
gazowa czyli inaczej skojarzona produkcja różnych postaci energii użytecznej. Coraz częściej technologia ta jest
stosowana na małą skalę w pojedynczych obiektach, wypierając tym samym klasyczny i jednocześnie
najczęściej obecnie stosowany sposób zaopatrzenia odbiorców w nośniki energii – gospodarkę rozdzieloną.
Schematycznie ideę gospodarki skojarzonej (warz ze stosowaną coraz częściej nomenklaturą) przedstawiono na
rysunku 1.
a)
b)
Rys. 1. Gospodarka rozdzielona (a) a gospodarka skojarzona (b)
Podstawowym elementem procesu w gospodarce rozdzielonej jest silnik cieplny (obecnie również ogniwo
paliwowe). Zgodnie z II zasadą termodynamiki nie jest możliwe skonstruowanie silnika cieplnego, który
pozostawałby w kontakcie jedynie z jednym źródłem ciepła (energii napędowej). Innymi słowy wyprowadzanie
ciepła z obiegu silnika cieplnego jest procesem nie do uniknięcia. Mając to na uwadze, wszędzie tam gdzie jest
to możliwe należy stosować skojarzoną produkcję energii elektrycznej, ciepła i/lub chłodu. Najbardziej
korzystne są układy, gdzie energia elektryczna jest produkowana przez czynnik o jak najwyższej temperaturze (i
wartości termodynamicznej). Po wykonaniu pracy czynnik o obniżonej temperaturze (mniej wartościowy) służy
do wytwarzania ciepła grzejnego i/lub chodu, schładzając się przy tym do temperatury możliwie najbliższej
temperaturze otoczenia.
Biorąc pod uwagę możliwości adresowania oferty rozwiązania technologicznego pojedynczemu odbiorcy
(użytkownikowi nośników energii) należy stwierdzić, że najbardziej odpowiednie są w tym obszarze technologie
zasilane paliwami gazowymi. Obecnie do podstawowych układów skojarzonych, wykorzystujących paliwa
gazowe, można zaliczyć:
• proste układy z tłokowymi silnikami spalinowymi,
• proste układy z turbinami i mikroturbinami gazowymi,
• układy zintegrowane ze zgazowaniem węgla, biomasy itp., gdzie gaz ziemny może stanowić paliwo
dodatkowe do mieszania z gazem procesowym,
• układy z ogniwami paliwowymi,
• układy z silnikami Stirlinga,
• układy kombinowane gazowo-parowe
• elektrociepłownie gazowo – parowe dwupaliwowe (np. węglowo – gazowe) powstałe najczęściej
poprzez modernizację elektrociepłowni węglowych parowych w wyniku ich nadbudowy turbiną
gazową,
• elektrociepłownie dwupaliwowe zintegrowane jedynie po stronie hydraulicznej, powstałe najczęściej w
wyniku nadbudowy ciepłowni węglowych modułami gazowymi.
Wszędzie tam, gdzie występuje równoczesne zapotrzebowanie na energię elektryczną, ciepło i zimno
możliwa jest instalacja układu kogeneracyjnego, zintegrowanego z urządzeniem chłodniczym. Sytuacja taka
występuje w wielu procesach przemysłowych (najczęściej w przemyśle spożywczym i chemicznym) a także w
budynkach, gdzie nośniki ciepła i zimna wymagane są do ogrzewania i klimatyzacji. Schemat złożonego układu
trójgeneracyjnego przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Złożony układ trójgeneracyjny (CHP – moduł z silnikiem tłokowym, B – kocioł gazowy, HA – zasobnik
gorącej wody, ABS – chłodziarka absorpcyjna, VC – chłodnica wentylatorowa, CT – wieża chłodnicza, HL –
odbiór ciepła, CL – odbiór chłodu, EL – odbiór energii elektrycznej)
Najczęściej w układach trójgeneracyjnych wykorzystywane są tu zasilane ciepłem chłodziarki absorpcyjne.
Dają one możliwość bardzo efektywnego wykorzystania ciepła odpadowego z procesu wytwarzania energii
elektrycznej (np. w sezonie grzewczym do produkcji ciepła a w sezonie letnim do celów klimatyzacyjnych). W
praktyce wykorzystywane są dwa rodzaje chłodziarek absorpcyjnych: bromolitowe (LiBr/H
2
O) oraz
amoniakalne (H
2
O/NH
3
). Zastosowanie pierwszych jest ograniczone do wytwarzania czynnika chłodniczego o
temperaturze na min. poziomie ok. 5
O
C. Typowo znajdują one zastosowanie w układach klimatyzacji. Ziębiarki
amoniakalne znajdują zastosowanie głównie w układach przemysłowych, gdzie wymagane są temperatury
wytwarzanego czynnika poniżej 0
O
C. Przy zastosowaniu ziębiarek amoniakalnych możliwe jest głębokie
mrożenie do temperatury nawet - 60
O
C.
Z technicznego punktu widzenia można wyróżnić układy, w których ciepło i zimno wytwarzane są
równocześnie oraz układy o przemiennym wytwarzaniu ciepła lub zimna. Dla analizy ogólnego przypadku
przyjęto wytwarzanie równoczesne w układzie pokazanym schematycznie na rysunku 3.
Układ trójgeneracyjny
E
&
ch
Moduł
CHP
N
'
el
Q
&
CHP
System odzysku
ciepła
Q
&
N
'
el
'
N
'
el
Q
&
D
AGREGAT
ABSORPCYJNY
Q
&
CH
Rys. 3. Uproszczony schemat układu trójgeneracyjnego ( - strumień energii chemicznej paliwa, - produkcja energii
E
&
ch
N
'
el
elektrycznej netto,
N
'
el
N
'
el
- zużycie energii elektrycznej przez ziębiarkę absorpcyjną i jej urządzenia pomocnicze, zużycie
na potrzeby własne inne,
Q
- całkowite ciepło wytworzone w układzie skojarzonym,
Q
- ciepło do napędu ziębiarki
absorpcyjnej,
&
CHP
&
D
Q
- moc chłodnicza, - produkcja ciepła netto)
Q
&
CH
'
'
Do opisu przedstawionego na rysunku 3 układu trójgeneracyjnego, wykorzystać można następujące
wskaźniki:
- wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa w układzie trójgeneracyjnym:
N
'
+
Q
&
+
Q
&
EUF
=
el
CH
(1)
&
T
E
ch
- wskaźnik zużycia energii elektrycznej w układzie:
N
'
+
'
N
'
'
'
δ
el
N
el
(2)
CHP
- wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej:
&
α
Q
&
D
(3)
Q
CHP
- wskaźnik zużycia energii elektrycznej w ziębiarce absorpcyjnej:
'
ω
N
&
el
(4)
Q
D
Wskaźnik α przyjmuje wartości z przedziału (0,1), wskaźnik ω przyjmuje wartości 0.005 - 0.02. Wskaźnik
δ może przyjmować wartości 0.02 - 0.05. Ponadto należy uwzględnić cechy charakterystyczne poszczególnych
urządzeń zastosowanych w układzie. Należą do nich głównie sprawność energetyczna silnika czy turbiny η
CHP
,
wskaźnik skojarzenia σ oraz współczynnik efektywności chłodniczej ziębiarki absorpcyjnej ε
a
.
η
=
N
CHP
;
σ
=
N
CHP
;
ε
=
&
Q
+
&
CH
(5)
&
&
CHP
E
Q
a
Q
N
'
el
ch
CHP
D
Wykorzystując wzory (1) do (5), po wykonaniu przekształceń uzyskać można zależności określające moc
elektryczną, cieplną i chłodniczą netto układu trójgeneracyjnego:
- chwilowa moc elektryczna układu netto:
N
el
N
'
=
(
−
δ
)
(6)
CHP
- chwilowa moc cieplna układu:
Q
=
N
1
−
α
(7)
CHP
σ
- chwilowa moc chłodnicza układu:
Q
&
CH
N
=
ε )
a
( +
ω
(8)
CHP
σ
oraz ostatecznie do relacji na wskaźnik wykorzystania energii chemicznej w układzie trójgeneracyjnym:
EUF
=
η
1
−
δ
+
ε
a
(
−
ω
)
−
α
+
1
(9)
T
CHP
σ
W odniesieniu do rozdzielonego systemu zaopatrzenia obiektu w ciepło, zimno i energię elektryczną,
budowa własnego układu trójgeneracyjnego powinna doprowadzić do obniżenia kosztów dostawy nośników
energii do zasilanego obiektu. Powinna być spełn ona zależność:
i
&
&
&
∆
K
E
K
=
( ) ( )
K
E
R
−
E
T
>
0
(10)
∆
- różnica w kosztach nośników energii w układzie rozdzielonym i trójgeneracyjnym, - koszt
nośników energii w układzie rozdzielonym,
E
( )
R
E
( )
T
K
&
E
- koszt nośników energii przy wytwarzaniu w układzie
trójgeneracyjnym.
Wprowadzając jednostkowe ceny nośników energii można wzór (14) doprowadzić do postaci:
Q
&
Q
&
N
'
+
Q
&
+
Q
&
∆
K
=
N
'
+
CH
k
+
k
−
el
CH
k
(15)
E
el
ε
el
η
fk
EUF
fT
s
Ek
T
gdzie:
k
el
- jednostkowy koszt energii elektrycznej,
k
fk
- jednostkowy koszt paliwa do kotła,
k
fT
- jednostkowy
koszt paliwa do układu trójgeneracyjnego, η
Ek
– sprawność energetyczna kotła.
Na rysunku 4 pokazano oszczędność kosztów nośników energii dla przykładowego zakładu przemysłowego
po zastosowaniu układu trójgeneracyjnego z turbiną GT35 w stosunku do gospodarki rozdzielonej (kocioł
K
&
K
&
&
węglowy, zakup energii elektrycznej z sieci i chłodziarka sprężarkowa). Przykładowo przyjęto wartości
k
el
= 250
PLN/MWh,
k
fk
= 36 PLN/MWh (np. węgiel),
k
fT
= 57 PLN/MWh (gaz ziemny).
0,5
0,48
0,46
0,44
0,42
0,4
0,38
0,36
0,34
temperatura odparowania: 0 degC
temperatura odparowania: -25 degC
temperatura odparowania: -50 degC
0,32
0,3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej
α
Rys. 14. Względna oszczędność kosztów nośników energii uzyskana dzięki zastosowaniu układu trójgeneracyjnego
O końcowej efektywności ekonomicznej projektu układu trójgeneracyjnego decyduje również szereg
innych czynników. Jednym z najbardziej istotnych jest wysokość wymaganych początkowych nakładów
inwestycyjnych. Nie bez znaczenia jest również ustalenie optymalnego trybu pracy układu. Przez tryb pracy
rozumie się tu sposób przejmowania przez poszczególne urządzenia zmiennego w czasie obciążenia cieplnego,
chłodniczego i elektrycznego. W ogólnym przypadku można wyróżnić kilka możliwych trybów pracy:
- zorientowany na produkcję energii elektrycznej,
- zorientowany na produkcję ciepła
- zorientowany na produkcję chłodu
- ekonomiczny (zapewniający największy zysk),
- inne.
Na uwadze należy mieć przy tym, że moc cieplna, chłodnicza oraz elektryczna układu nie mogą zmieniać
się w sposób niezależny. Dla zapewnienia wymaganych mocy chwilowych oraz wyrównywania obciążeń często
konieczne jest zastosowanie zasobników ciepła, zasobników zimna oraz urządzeń rezerwowo-szczytowych jak
kotły gazowe i chłodziarki sprężarkowe. Zwykle również występuje konieczność współpracy z zewnętrzną siecią
elektroenergetyczną.
Zwykle o podjęciu decyzji o realizacji projektu decyduje analiza opłacalności inwestycji. Jak wynika z
przedstawionych rozważań w analizie takiej powinno zostać uwzględnionych szereg czynników technicznych i
ekonomicznych. Każdorazowo studium wykonalności projektu ma charakter indywidualny a podstawowym
problemem, jaki należy rozwiązać jest tu optymalny dobór urządzeń i konfiguracji układu..
Główne kryterium oceny opłacalności projektu prowadzono można przedstawić w postaci następującej
nierówności:
∑
N
( )
CF
∑
N
( )
CF
( ) ( ) ( )
∑
N
[
]
0
)
NPV
=
t
T
−
J
−
t
R
−
J
=
J
−
J
+
a
CF
−
CF
>
(
+
r
)
t
0
T
(
+
r
)
t
0
R
0
R
0
T
t
t
T
t
R
=
1
=
1
=
1
gdzie: ∆NPV – wartość bieżąca projektu inwestycji netto w odniesieniu do wgospodarki rodzielonej; (CF
t
)
T,
(CF
t
)
R
– roczne przepływy pieniężne w przypadku układu trójgeneracyjnego i rozdzielonego; J
0T
, J
0R
–
początkowe nakłady inwestycyjne na układ kogeneracyjny i rozdzielony; r – stopa dyskonta; a
t
– współczynnik
dyskontujący; t – numer roku obliczeniowego; N – założony czas eksploatacji.
Autor jest adiunktem w Zakładzie Termodynamiki i Energetyki Gazowej Instytutu Techniki Cieplnej
Politechniki Śląskiej w Gliwicach
Więcej informacji na temat zagadnień poruszanych w przedstawionym artykule można znaleźć na stronach
internetowych
∆
t
t
t
[ Pobierz całość w formacie PDF ]