Виды тригенерации. Сравнение двигателей и абсорбционных машин
Коротко. Вид тригенерации задаёт двигатель. От него зависят электрический КПД, температура тепла и то, какая абсорбционная машина подойдёт. Ниже сравнение по данным американского агентства EPA.
Виды тригенерации различают по первичному двигателю, который вырабатывает электричество: газопоршневая установка (ГПУ), газовая турбина (ГТУ), микротурбина, дизельный двигатель, паровая турбина или топливный элемент. От двигателя зависит, сколько электричества получится из газа, какое тепло останется (горячая вода, выхлоп или пар) и какая абсорбционная холодильная машина (АБХМ) сделает из него холод. Ниже сравнение по данным каталога технологий американского агентства EPA и подбор машины Thermax к каждому типу.
Если нужны основы, начните со статьи о принципе работы и страницы «Когенерация».
Чем отличаются двигатели по КПД и мощности?
Данные EPA (Catalog of CHP Technologies, редакция сентября 2017 года, КПД по высшей теплоте сгорания). Это типовые значения для США из отраслевых публикаций, а не официальная позиция EPA.
| Двигатель | Электрический КПД | Полный КПД с утилизацией тепла | Типовая мощность |
|---|---|---|---|
| Газопоршневой (в том числе дизельный) | 27–41 % | 77–80 % | от 5 кВт до 10 МВт; дизельный быстроходный до 4 МВт, тихоходный до 80 МВт |
| Газовая турбина | 24–36 % | 66–71 % | 0,5–300 МВт, для когенерации экономична от 5 МВт |
| Микротурбина | 22–28 % | 63–70 % | 30 кВт – 1 МВт (модули 30–250 кВт) |
| Паровая турбина | от 5 до 40 % и выше | около 80 % | от 0,5 МВт до нескольких сотен МВт |
| Топливный элемент | 30–63 % | 55–80 % | 0,2–2,8 МВт |
Полный КПД не различает качество энергии: электричество и тепло в нём складываются, как будто это одно и то же. Поэтому ГТУ с полным КПД 66–71 % не обязательно хуже ГПУ с 77–80 %: она даёт тепло более высокой температуры, и из него можно получить пар. На эту разницу и смотрят при выборе.
Как двигатели ведут себя в работе?
| Двигатель | Время пуска | Неполная нагрузка | Моточасов до капремонта |
|---|---|---|---|
| Газопоршневой | около 10 с | приемлемо | 30 000–60 000 |
| Газовая турбина | 10 мин – 1 ч | плохо | 25 000–50 000 |
| Микротурбина | около 60 с | приемлемо | 40 000–80 000 |
| Паровая турбина | 1 ч – 1 сут | приемлемо | более 50 000 |
| Топливный элемент | 3 ч – 2 сут | хорошо | 32 000–64 000 |
Для тригенерации важнее всего неполная нагрузка. Тригенерация окупается, когда двигатель работает и тепло используется как можно больше часов в год. Газовая турбина на частичной нагрузке теряет КПД, поэтому её берут там, где нагрузка ровная. ГПУ и микротурбины переносят переменную нагрузку лучше.
Какое тепло получается и какая АБХМ к нему подходит?
Машина выбирается по температуре и виду тепла, а не по названию двигателя.
| Двигатель | Какое тепло | Машина Thermax | COP |
|---|---|---|---|
| ГПУ | горячая вода рубашки около 90–110 °C и выхлоп около 380–540 °C | на горячей воде (LT, 5G), на выхлопе (2D), Trigenie для обоих источников сразу | 0,65–0,80 на воде, 1,40–1,45 на выхлопе |
| Газовая турбина | выхлоп около 430–480 °C у малых, до 590 °C у больших; пар через котёл-утилизатор | на выхлопе (2D) или паровая двухступенчатая (2B) | 1,40–1,45 и 1,30–1,45 |
| Микротурбина | выхлоп около 260–315 °C | на выхлопе в специальном исполнении или на горячей воде через теплообменник | зависит от машины |
| Дизель | горячая вода рубашки, выхлоп, котёл-утилизатор | на горячей воде, на паре | 0,65–0,80 и 1,30–1,45 |
| Паровая турбина | пар на противодавлении и в отборах | паровая: одноступенчатая SS, двухступенчатые SD и 2B | до 0,75 и 1,30–1,45 |
| Топливный элемент | горячая вода или пар низкого давления, у высокотемпературных типов выхлоп | на горячей воде, паровая или на выхлопе | зависит от типа элемента |
COP (коэффициент преобразования) показывает, сколько кВт холода даёт 1 кВт тепла. Для одноступенчатых машин на горячей воде он 0,65–0,80, для двухступенчатых на паре, газе или выхлопе 1,30–1,45. Трёхступенчатая машина (пар 10–25 бар) 1,8.
Типичные пары по DOE: одноступенчатая машина работает с поршневым двигателем (тепло невысокой температуры), двухступенчатая с газовой турбиной (тепло горячее). Для топливных элементов низкотемпературного типа (PEMFC) тепла не хватает даже на одноступенчатую машину. Если у топливного элемента высокотемпературное исполнение (SOFC, MCFC), тепло подходит.
Есть и общее ограничение: любая абсорбционная машина сбрасывает в градирню больше тепла, чем электрический чиллер. Для одноступенчатой это около 2,45 кВт на 1 кВт холода, для двухступенчатой около 1,72, для электрического чиллера с COP 5 около 1,20. Градирню NCT считают на сброс машины, а не «как для чиллера».
Как выбрать вид по соотношению тепла и электричества?
Выбор начинают с T/P, то есть отношения потребляемого тепла к потребляемому электричеству. По руководству DOE и Midwest CHP Application Center:
| T/P объекта | Какой двигатель рассматривать |
|---|---|
| 0,5–1,5 | поршневые двигатели |
| 1–10 | газовые турбины |
| 3–20 | паровые турбины |
T/P считают по счетам за 12 месяцев: тепло из потребления газа с учётом КПД оборудования делят на электричество в кВт·ч. Для тригенерации это правило надо применять осторожно: холод тоже потребляет тепло, поэтому «тепловая» нагрузка летом растёт.
В США газовые турбины дают около 64 % всей мощности когенерации, паровые 32,1 %, поршневые 2,7 % (но 51,9 % всех объектов), микротурбины и топливные элементы по 0,1 %. База ICF, 2014 год.
Какие виды тригенерации разобраны подробно?
- ГПУ: самая подробная страница, схемы, реальные объекты.
- Газотурбинная установка: выхлоп, котёл-утилизатор, охлаждение воздуха на входе турбины.
- Микротурбины: здания и центры обработки данных.
- Дизельная станция: когда газа нет.
- Пар: котёл-утилизатор и паровая машина.
- Биогаз, шахтный и попутный газ.
- Топливные элементы.
- Атлас схем: все схемы на одной странице.
Все машины Thermax в одном месте: АБХМ Thermax. Тепло машин отводит оборудование NCT: градирни, драйкулеры и чиллеры для пика, см. colden.ru.
Какой вид не окупается?
Любой, где нет тепловой нагрузки круглый год. Причина в нагрузке, а не в технике: проекты ломаются, когда мощность выбрана по электричеству, нет тепла летом или мало часов работы. Эти ошибки разобраны на странице «Почему тригенерация не окупается». Ориентир для абсорбционной части: холода от 300 кВт и 3000–4000 часов в год и больше, при менее чем 2000 часах она не окупается.
Какой бы двигатель вы ни выбрали, стык с холодом остаётся, а если двигатель и холод делят разные подрядчики, он становится ничьим. «Энергия холода» поставляет ГПУ, машины Thermax и оборудование NCT. С турбинами и другими двигателями ведём холодовой контур и его стык с источником тепла.
Хотите узнать, какой вид подходит вашему объекту? Закажите расчёт ТЭО или посчитайте на калькуляторе.
Источники
- EPA, Catalog of CHP Technologies, сентябрь 2017: https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-07/documents/catalog_of_chp_technologies.pdf
- DOE, Absorption Chillers for CHP Systems, DOE/EE-1608, май 2017: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/06/f35/CHP-Absorption%20Chiller-compliant.pdf
- DOE / Midwest CHP Application Center, CHP Resource Guide for Hospital Applications, 2007: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/11/f4/chp_hospital_guidebook_2007.pdf
- ICF для ORNL, Opportunities for CHP in Data Centers, март 2009: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/11/f4/chp_data_centers.pdf
- Каталог АБХМ Thermax (данные производителя о сериях и COP).
Частые вопросы
Есть ли смысл ставить АБХМ на дымовых газах около 160–170 °C для охлаждения крупного ЦОД?
Для машины Thermax на выхлопных газах стандартный вход 350–600 °C, в специальном исполнении 270 °C, а на выходе газ остаётся при 170 °C (в специальном 130 °C). Газ при 160–170 °C это уже остаток, машину он не приведёт в действие. Другое дело, если такая температура стоит после существующего котла-утилизатора: тогда машину можно поставить до него, на горячий газ. Для ответа нужны температура и расход до и после утилизатора.
Сможет ли АБХМ выдавать пропиленгликоль с температурой −6 °C, если источник тепла ГПУ с контуром 97/70 °C?
На воде 97/70 °C нет. Минус на выходе дают только двухступенчатые бромистолитиевые машины, им нужен источник горячее, а граница у них −5 °C в специальном исполнении. Для −6 °C остаются аммиачные абсорбционные машины Thermax, это проработка под задачу. Пример из паспорта: 740 кВт, этиленгликоль 40 %, с −9 до −12 °C, пар 8 кг/см² при расходе 2084 кг/ч, размеры 6,7 × 5,5 × 7,7 м, масса 38,3 т. Контуром ГПУ такую машину не запитать без пара или выхлопа.
Разделы
Как строится тригенерация на ГПУ. Откуда брать тепло, какие схемы с АБХМ бывают, где они ломаются и какие объекты так работают…
Тригенерация на газовой турбине. Выхлоп в АБХМ, котёл-утилизатор с паром и холод на вход турбины. Схемы, мировые примеры и наш…
Микротурбины с абсорбционной машиной. Выхлоп 260–315 °C, мощность до 1 МВт, схемы для зданий и ЦОД, наш объект в подвале…
Утилизация тепла дизельных электростанций и холод из него. Схема с котлом-утилизатором, мировые примеры из Индии и Саудовской…
Тригенерация на пару. Котёл-утилизатор после двигателя или турбины, паровая АБХМ с COP до 1,45, требования к пару и конденсату…
Тригенерация на биогазе, шахтном метане и попутном газе. Чем топливо отличается от природного, три схемы с реактором, мировые…
Топливные элементы с абсорбционной машиной. КПД 30–63 %, какие типы дают достаточно горячее тепло, мировые примеры с центрами…
Что говорят наши заказчики
150 благодарственных отзывов · 350+ крупных проектов · 1000+ заказчиков · работаем с 2011 года. Это настоящие письма заказчиков, многие другие — на странице отзывов.
Градирня VR-1-6-U. Отзыв заказчикаПосчитаем тригенерацию для вашего объекта
Инженер соберёт схему и подберёт оборудование, а вы получите ТЭО. Бесплатно, без обязательств.