Целесообразность применения систем утилизации теплоты ДВС

Рыночная экономика предполагает возможность потреби-телю делать свой выбор источника энергоснабжения, исходя из стоимости, качества и бесперебойности последнего.

Поэтому наряду с «большой» энергетикой в современ-ных условиях весьма значительной становится и роль объектов малой энергетики, а именно автономных дизель- и двигатель-генераторов с диапазоном мощностей 200... 3000 кВт и выше.

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ

УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ДВС

А.В. РАЗУВАЕВ к.т.н., доцент, г. Балаково

Балаковский институт техники технологии и управления

Применение автономных энергоисточников с комбинированным производством электрической и тепловой энергии (когенерация) обеспечит определенный энергетический резерв в централизованной системе и её надежность. Малая энергетика становится не только альтернативой централизованной системе, но и основой для быстрого развития вновь осваиваемых районов, открывающихся новых производств различного профиля, в том числе предприятий нефтегазового комплекса. Также необходимо отметить актуальность вопроса энергетической безопасности объекта и реализации целевых программ «Энергосбережения», которые позволяет решать применение когенерационных установок.

Развитие этого направления определяется целым рядом факторов, главными из которых являются:

• выработка ресурсов мощных электростанций России и явно недостаточные темпы ввода новых мощностей;

• снижение надежности и качества электроснабжения;

• необходимость резервирования энергоснабжения от централизованных источников ввиду увеличения аварийных ситуаций последних и связанных с этим экономических потерь;

• большие затраты на ввод мощных электростанций;

• небольшие затраты на ввод малых электростанций - тепло-энергетических комплексов;

• возможность ввода автономных газовых и дизельных энергетических установок, в короткие сроки;

• утилизация попутного газа;

• возможность получения и полезного использования дешевой отводимой от двигателя теплоты с минимальными транспортными потерями.

Сегодня отмечается, что недостаточное и некачественное электроснабжение объектов различного назначения является одним из факторов сдерживания экономического роста.

Когенерация является практически самым оптимальным вариантом обеспечения надежности снабжения электрической энергией. Энергозависимая экономика требует все больше и больше энергии для работы и развития. При традиционном энергообеспечении возникает множество организационных, финансовых

и технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку часто необходимы прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т.д. В то же время когенерация предлагает крайне гибкие и быстрые в плане наращивания мощностей решения. Наращивание мощностей может осуществляться как малыми, так и достаточно большими долями. Этим поддерживается точная взаимосвязь между генерацией и потреблением энергии. Таким образом, обеспечиваются все энергетические нужды, которые всегда сопровождают экономический рост.

Особенно эффективны энергетические установки, работающие на природном и ,еще в большой степени, на попутном газе, который в настоящее время в большинстве случаев сжигается на факелах, загрязняя атмосферу и выделяя никому не нужное тепло. Данное обстоятельство очень важно при эксплуатации газовых двигателей, в этом случае их применение способствуют улучшению экологической ситуации в данном конкретном месте и в целом на местности.

Как известно, ДВСимеюткоэффициент полезно используемого тепла топлива -34-40 %, а все остальное тепло отводится в атмосферу с выхлопными газами и охлаждающей жидкостью (от охлаждения двигателя, масла).

Величина тепловой мощности, утилизируемой теплоты выхлопных газов и охлаждающей жидкости двигателя соизмеримы с эффективной мощностью ДВС, а утилизация тепла, отводимого с маслом и наддувочным воздухом позволяет довести коэффициент полезного используемого тепла, вводимого с топливом, до 80...85 %.

Наряду, с экономической выгодой получения дешевой электроэнергии от автономного источника, есть реальная возможность получения и дешевой - «бросовой» - теплоты от системы утилизации ДГ. Используя теплоту выхлопных газов и охлаждающей жидкости газового ДГ мощностью 500 кВт на отопление, возможно снабжать теплом площадь, обеспечивая нормальную санитарную температуру в помещении, размером в 4 - 4.5 тыс. м2.

Имея в виду, что при отопительном сезоне продолжительностью примерно полгода экономия от «незакупленно-го» топлива для отопления составит

THE PRACTICALITY OF USING THE SYSTEMS FOR THE UTLIZATION OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE HEAT

A.V. RAZUVAEV

Candidate, Engineering, Assistant Professor, Institute of Technology, Process Engineering and Management, Balakovo

Market economy presupposes that it is possible for a user to choose a source of power supply, based on its cost, quality and continuity.

Therefore, along with «big time» energy sector under modern conditions the role of «small time» energy is becoming rather important, namely, stand alone diesel engine driven generator sets with a power rating ranging from 200 to 3000 kWt and more.

The use of autonomous energy sources with combined production of electric and thermal power (co-generation) will ensure a certain energy reserve in the centralized system and reliability. Small time energy sector is not only becoming an alternative to the centralized system but also the foundation for quick development in newly developed areas, for newly opened production facilities in various lines of business, including companies in oil and gas industry. Also it is necessary to point out the relevance of the issue of a facility's energy security and the implementation of special purpose «Energy Saving» programs which would allow co-generating units to be used.

The development of this activity is determined by a whole number of factors, the principal ones of which are:

• reaching the limit of the resources of Russia's powerful electric power stations and obviously insufficient rate of commissioning new facilities;

• reduced reliability and quality of electric power supply;

• the need to reserve electric power supply from the centralized sources due to increased emergency situations on the latter and the economic losses resulting from those;

• huge costs required for the commissioning of powerful electric power station;

• insignificant costs for the start-up of small electric power stations - thermal and electric power complexes;

• the possibility of commissioning autono-

ЭКСПОЗИЦИЯ 3/Н (64) май 2008 г.

113

mous gas and diesel energy units within a short period of time.

• utilization of associated petroleum gas

• the possibility of obtaining and usefully utilizing inexpensive heat diverted from the engine with minimum transportation losses.

Today, it is noted that insufficient and poor quality electric power supply of the facilities for various applications is one of the factors which restricts the economic growth. Co-generation is practically the most optimal option of ensuring the reliability of electric power supply. Energy dependent economy requires more and more energy for operation and development. With conventional energy supply there occur many organizational, financial and technical difficulties with the expansion of the enterprise's capability, because it is often required that new power transmission lines be laid, new transformer substations be constructed, thermal pipelines be rerouted, etc. At the same time, co-generation offers flexible and quickly built-up capacity solutions. Capacity can be built up both by small increments and rather great ones. This maintains an accurate linkage between generation and energy consumption. Therefore, all the energy needs, which are always concomitant to economic growth, are catered for.

Most effective are such power units as are operated on natural and, still more so, on associated petroleum gas, which is currently, in the majority of cases, is flared, polluting the atmosphere and releasing the heat that nobody needs. This is very important for the operation of gas engines, because their use helps improve the environmental situation in this particular place and in the area at large.

Internal combustion engines are known to have a usefully utilized fuel heat factor of 34-40%, while the rest of the heat is diverted into the atmosphere with exhaust and coolant (from engine and oil cooling).

The amount of thermal energy, utilized heat of the exhaust gases and engine coolant are commensurate with the effective power of the internal combustion engine, while the utilization of the heat diverted with oil and charge air allows the factor of the usefully utilized heat introduced with fuel to reach the level of up to 80...85%.

Along with the economic benefit resulting from cheap electric power generated by an autonomous source, there is a realistic chance of also obtaining inexpensive - «dirt cheap» heat from the diesel engine utilization system. Using the heat from the exhaust and the coolant of the 500 kWt CNG diesel engine, for heating, it is possible to heat floor space and ensure normal sanitary temperature in the premises measuring 4.4.5 thousand square m.

Given the fact that during the heating season approximately half a year long the saving resulting from the heat «that does not have to be bought» used for central heating will represent a significant amount, the use of thermal power complexes under more severe climatic conditions will enable still greater economic efficiency to be achieved.

Рис. 1. Габаритно-присоединительные размеры блока утилизации тепла для газового двигатель-генератора мощностью 500 кВт

Fig. 1. Overall Dimensions and Connection Dimensions of the Heat Utilization Module for a CNG Engine Generator Set, 500 kWt

ощутимую величину, а применение теплоэнергетических комплексов в более суровых климатических условиях позволит получить еще большую экономическую эффективность.

Преимущества когенерации на базе газопоршневых электрогенераторных установок могут представлять особый интерес для жилищно-коммунальных хозяйств. Например, использование таких установок позволяет уменьшить затраты на строительство коммуникаций (в 1,5-4 раза по сравнению с подведением централизованного тепла и электроэнергии), поскольку не требует подведения отдельно электричества, водопровода с горячей водой, необходим только газопровод и водопровод с холодной водой. И, надо сказать, эти преимущества успешно используются в жилищно-коммунальных хозяйствах европейских стран. Как правило, эти станции монтируют на базе старых котельных, из которых убирается старое оборудование. Поэтому тепло отпускается жителям близлежащих домов, а электроэнергия - в централизованную сеть.

Учитывая обоснованную выше целесообразность применения когенера-ционных установок, в настоящее время реализуется инновационный проект по производству систем утилизации вторичной теплоты, отводимой от ДВС. Проектом предусматривается оценка экономической эффективности применения когенерационной установки, а также осуществление расчета, разработки и изготовления системы утилизации теплоты по индивидуальным параметрам ДВС отечественного или импортного производства с учетом индивидуальных параметров потребителя утилизируемой теплоты.

Так, одним из заданий предусматривается изготовление системы утилизации теплоты блочного исполнения, общая компоновка которой представлена на рис 1 , а общий вид на рис 2.

Данную конструкцию блочной системы утилизации теплоты предусматривается устанавливать с газовым двигатель-генератором мощностью 500 кВт в стационарном или блок-контейнерном исполнении. Блочная компоновка оборудования системы утилизации теплоты способствует минимизации затрат при монтаже и контролю работоспособности ее на месте эксплуатации.

Блок оснащен собственным щитом правления, что позволяет использовать автономную блочную компоновку системы утилизации теплоты на уже введенных в эксплуатацию объектах, обеспечивающих электроснабжение от поршневых ДВС, учитывая минимальные затраты на ее монтаж.

Утилизируемое тепло от ДВС возможно использовать на отопление объектов производственного и бытового назначения, на горячее водоснабжение различных объектов, а так же на технологические нужды производства. При этом экономия денежных средств очевидна, т.к. тепло от ДВС не выбрасывается в атмосферу, а непосредственно полезно используется на теплоснабжение объекта, при этом сокращаются закупки топлива для этих нужд. Экономический эффект возрастает от применения такой технологии при ее реализации в условиях постоянного повышения цен на топливо с учетом затрат на его транспортировку к месту эксплуатации энергоустановки.

The advantages of co-generation based on gas and piston electric power generator sets may be of special interest to housing and communal infrastructure facilities. For example, the use of such units would allow the costs incurred in the construction of communication networks to be reduced (1.5-4 times compared with the supply of central heating and electric power), since this system does not require separate electric power supply or hot water piping to be arranged for; what is only required is the gas piping and cold water supply. And one must say that these advantages are successfully made use of by the housing and communal sector in the European countries. As a rule, such stations are installed on the basis of old boiler facilities from which old equipment is removed. Therefore the heat is supplied to the residents of the nearby buildings while the electric power is supplied into the centralized grid.

Taking into consideration the practicality, justified above, for the use of co-generating units, at the present time, an innovation project is being implemented to produce systems for the utilization of secondary heat diverted from the internal combustion engine. The project provides for the economic efficiency of the use of a co-generating unit to be evaluated as well as for calculation, development and manufacture of a system for utilization of heat based on the individual parameters of the internal combustion engine of national manufacture or imported one, with regard given to the parameters of the utilized heat user.

Thus, for example, one of the assignments contemplates the manufacture of a heat utilization system of modular design, whose general configuration is shown in fig.1, while the general view is illustrated in Fig.2.

Such a design of the modular heat utilization system is expected to be installed with the gas engine generator set, 500 kWt, in a stationary or modular container configuration. The modular design of heat utilization system equipment helps minimize the costs required for installation and test on the site where it is to be operated.

The module is equipped with its own control board which allows the autonomous modular design of the heat utilization system to be used on installations which have already been put into operation and which provide electric power supply from piston type internal combustion engines, given its minimal installation costs.

The heat utilized from the internal combustion engine can be used to heat production and public services facilities as well as for industrial production needs. At the same time, savings of money are obvious as the heat from the internal combustion engines is not released into the atmosphere and is directly and usefully utilized instead to supply heat to an installation, thus cutting back on the amount of fuel which needs to be purchased for such use. The economic benefit increases from the use of such technology, if it is implemented in the environment of continuously rising fuel prices, inclusive of the costs charged for its transportation to the site, where a power unit is operating.

Рис. 2. Общий вид блока утилизации теплоты для газового двигатель-генератора мощностью 500 кВт

Fig. 2. General View of the Heat Utilization Module for CNG Engine-Generator Set, 500 kWt