Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие
Подождите немного. Документ загружается.
Недостатки
Потребность в пусковой жидкости
Забивание вбрызгивающих сопел
Сажа на поверхности теплообменника
Большие затраты на техобслуживание
Превышают выбросы вредных веществ и
граничные показатели по техническим
требованиям защиты воздуха
Редко встречаются агрегаты более чем
на 500 кВт, поэтому требуют модульного
построения
Небольшие простои 35 000 рабочих часов
Недостатки
Редко встречаются агрегаты менее чем
на 100 кВт
Требования к качеству газа: минимум
45% содержания метана
Стоят дороже
Низкий электр. КПД, если ниже 300 кВт
Не дают ток от аварийного агрегата
Таблица 5.7: Преимущества и недостатки двигателей, работающих по
газожидкостному принципу и принципу бензинового двигателя. Cогласно [74]
потребление ископаемой пусковой жидкости является необходимой вынужденной
мерой, а не долгосрочное решение проблемы. С экономической точки зрения
затраты выравниваются при уровне цен на мазут до 0,40 Евро/л (лишь при базовой
оплате) или 0,62 Евро/л (включая бонус за возобновляемые источники энергии) от
прибыли за дополнительно произведенную электроэнергию.
КПД для газожидкостных и газовых двигателей генератора
Для рентабельности биогазовой установки решающим фактором является КПД при
выработке электроэнергии. 1% в разнице эффективности для генератора на 100 кВт
может влиять на 4000 Евро прибыли или убытков в год. При сравнении
эффективности выработки энергии различают такие уровни эффективности:
1. Механический КПД двигателя в генераторе – соотношение между выработанной в
двигателе механической энергией и потенциалом энергии использованного
горючего. Часто механический и электр. КПД генератора упрощенно приравнивают
(среди прочего чтобы получит преимущества перед конкурентами), чего допускать
не следует. Механическое КПД
зависит от типа двигателя и его размеров, для газовых и газожидкостных двигателей
он составляет до 45%.
2. КПД генератора: в генераторе просходит преобразование механической энергии
в электрическую. КПД остальных генераторов с мощностью более 20 кВт составляет
90-96%. Все остальное превращается в тепло генератора.
3. Электрический КПД: чтобы рассчитать электр. КПД генератора, необходимо
механичекий КПД умножить на КПД генератора. Пример: 40% механич. КПД и 93%
КПД генератора дают электр. КПД 0,40 х 0,93 = 37,2%
4. Термический КПД: кроме механической энергии при переходе энергии от одного
вида в другой в двигателе возникает большое количество избыточного тепла,
частично в виде отработанных газов, а частично в охлаждающей жидкости, все
остальное содержится в тепловом излучении. Термический КПД как правило выше
электрического; он достигает в зависимости от типа строения двигателя и размеров,
а также температуры используемого отводимого тепла до 55%. Термическому КПД
длительное время придавали мало значения. Лишь после вступления в силу нового
Законодательства ЕС в 2004 о бонусе для генераторов он приобрел поистине
экономического значения (смотр. Раздел 5.5.4: Доплата за объединенную выработку
тепловой и электрической энергии).
5. Общий КПД можно рассчитать в виде суммы из электрического и термического
КПД:
Пример:
- электрический КПД: 37,2%
- термический КПД: 52,7%
- общий КПД: 89,9%
При оценке КПД газовых и газожидкостных двигателей генераторов следует
обратить внимание на следующее:
1. Электрический КПД генератора с газожидкостным двигателем при одинаковой
мощности как правило на 3-4% выше чем у генератора с газовым двигателем.
Эта разница тем меньше, чем выше сравниваемые мощности.
2. Электрический КПД зависит от размера генератора, но возрастает не линеарно с
ним (смотр. Изобр. 5.13).
3. Термический КПД генератора с газожидкостным двигателем почти независим от
размеров генератора.
4. Термический КПД генератора с газовым двигателем для небольших установок
выше чем у больших.
5. Общий КПД генератора с газовым двигателем выше чем генератора с
газожидкостным двигателем.
Границы выбросов для двигателей переработки газа в электроэнергию
согласно требований Технического отдела «Воздушный бассейн»
Тепловая
мощность при
сгорании
Единица
измерения
Газовый
двигатель
менее 3 МВт
Газовый
двигатель
более 3 МВт
Газожидкостный
двигатель
менее 3 МВт
Газожидкостный
двигатель
более 3 МВт
СО мг/м³ 1000 650 2000 650
NOx мг/м³ 500 500 1000 500
Диоксид серы мг/м³ 350 350 350 350
Ощее пыли мг/м³ 20 20 20 20
Формальдегид мг/м³ 60 20 60 60
Таблица 5.8: Граничные показатели эмиссии для двигателей переработки газа в
электроэнергию согласно требований технического отдела «Воздушный
бассейн».
Первые опыты по замене мазута растительным маслом уже начаты. С 1.1.2007
г. для новостроящихся объектов имеющих генераторы с газожидкостными
двигателями разрешено применять лишь запальное топливо биогенного
происхождения. В этом случае применяют чистое растительное масло или
растительное масло-сложный метиловый эфир. С 2007 г. при покупке
газожидкостных двигателей следует обращать внимание на совместимость с
растительным маслом. Запущенные в работу генераторы с газожидкостными
двигателями до этой даты можно и дальше эксплуатировать на ископаемых
энергоносителях.
Сопоставление характеристик включая преимущества и недостатки двигателей
приводится в Таблице 5.7.
Из нее видно что именно
в нижнем диапазоне газожидкостных двигателей по
причине их низкой стоимости и высокой эффективности находятся основные
преимущества. Для электр. мощности от 300 кВт преимущества имеют газовые
двигатели. При покупке генератора кроме этих аспектов необходимо обратить
внимание на опыт и обслуживание продающей компании. К этому также относится,
что по близости должно быть хотя
бы одно представительство компании-продавца,
чтобы можно было быстро решить проблемы на месте. Иначе чего стоит
предложение услуг «все включено», если к месту ремонта необходимо ехать целый
день, пока обслуживающий персонал окажется на месте поломки. Простои на
протяжении многих дней очень плохо сказываются на установке, окружающей среде
и рентабельности.
Эмиссии
При сжигании биогаза преимущественно образовывается СО2, О2 и вода. Кроме
того еще образовываются вредные газы как то СО, NO и NO2 (сведены в общее
понятие NOх), SO2, формальдегид и углеводороды. Для вредных газов СО и NOх
существуют граничные показатели, которые различаются между собой в
зависимости от принципа работы двигателя и тепловой мощности при сгорании
(Таблица 5.8).
Агрегаты более чем на 1 МВт общей тепловой мощности попадают под
Федеральное распоряжение о регулировании эмиссий и должны выдерживать
заложенные в нем граничные показатели. Для генераторов менее 1 МВт эти нормы
не обязательны, но применяются как ориентировочные данные.
Чтобы держать эмиссии на низком уровне, то генераторы должны работать на
так называемой объединенной смеси с λ = 1,2 – 1,6. Коэффициент избыточного
воздуха лямбда (λ) показывает соотношение между попадающим воздухом и
топливом. Для генераторов, работающих на объединенной смеси, мощность и КПД
уменьшаются малозначительно.
5.4.2 Генераторы для установок с объединенной выработкой тепловой и
электрической энергии
Для производства электричества преимущественно применяют асинхронные
генераторы, реже синхронные генераторы.
Асинхронный генератор является не чем иным как двигателем с
короткозамкнутым ротором переменного тока, работающего от общественной сети.
Если он работает с количеством оборотов, превышающим работу двигателя, то он
вырабатывает электроэнергию, которую можно подавать в общественные
энергосети. В то же время он сам потребляет некоторое количество электричества
(реактивного тока) для магнитной активизации сети. Благодаря активизации сети
стабилизируется количество оборотов в определенных, зависящих от мощности
генератора, пределах. Говорят, что асинхронный генератор «приклеивается к
электросети». Лишь в случае слишком большой перегрузки настает так называемое
критическое скольжение, при котором скачкообразно повышается количество
оборотов, а производительность падает.
Асинхронные генераторы дешево стоят и нетребовательны в работе; если их в
выключенном состоянии – в качестве стартера - подключить к электросети, то таким
образом можно даже завести небольшие газовые двигатели внутреннего сгорания.
Кроме того биогазовый двигатель без дальнейшего регулирования количества
оборотов выключится. Подачу газа через регулируемый газовый клапан необходимо
выставлять таким образом, чтобы двигатель выдавал желаемую мощность, которую
можно было бы считать на измерительном приборе. Главным недостатком
асинхронного генератора является то, что в случае исчезновения тока в сети, он не
может генерировать электричество, а таким образом не подходит для
использования в качестве аварийного электрогенератора.
Синхронные генераторы являются самоактивирующимися, они устроены
таким образом, что они также без могут вырабатывать электричество даже без
подключения к сети. Необходимый для создания магнитного поля ток подается от
небольшого, расположенного на валу вспомогательного генератора и обмотки
якоря в роторе. Для синхронных генераторов количество оборотов должно быть
синхронизировано с частотой электросети. С этой целью биогазовый двигатель
должен быть оснащен регулятором количества оборотов. После определенной
мощности от 45 до 50 кВт синхронные генераторы такие же дорогие, как и
асинхронные генераторы.
5.4.3 Мероприятия по подключению к сети
Для генераторов с параллельным режимом работы автоматический раздел
сети всегда срочно требуется в тех случаях, когда в сети пропадает ток или его
отключают; в противном случае возникает опасность для жизни людей,
работающих с сетью. В целом для подключения к сети действуют «Нормы
параллельной работы самогенерирующих установок с сетью низкого напряжения
для энергопоставляющих компаний» [52].
Уже на стадии планирования необходимо согласовать используему технику;
работы должен проводить сертифицированный специалист, при чем следует
устанавливать запланированные измерительные, управляющие,
переключающие, предохранительные устройства; в дальнейшем следует
соблюдать правила подключения и граничные параметры по возвратному
действию сети.
Размер возвратных эффектов при одновременном производстве тепловой и
электрической энергии на сеть часто недооценивается фермерами; на практике
возвратные эффекты от возрастающей подачи тока от энергии солнца, ветра и
устройств одновременной генерации тепловой и электрической энергии все
больше проблем. Существующая система подачи тока и сети разработаны на
централизованное производство электроэнергии и децентрализованное
потребление, но не для децентрализованной подачи. Сеть общественного
пользования похожа на дерево: недалеко от электростанции либо
трансформаторной подстанции ствол очень толстый и далее все более
разветвляется на более тонкие провода и низкое напряжение, рассчитанные на
конечных потребителей. Если вести подачу на уровне толстого ствола с высоким
напряжением, то сеть хорошо воспринимает относительно небольшое
количество энергии от малых производителей. Однако сельскохозяйственные
установки находятся преимущественно в конце и без того не имеющих избытка
сельскохозяйственных сетей. Поэтому возникает опасность, что нежелательные
возвратные эффекты, в первую очередь в виде колебания напряжения могут
возникнуть вследствие запуска двигателей асинхронных генераторов и при
подаче высокого напряжения. Изменение напряжения более чем ±3%
недопустимо для защиты чуствительных потребителей. Поэтому мощность
генератора необходимо согласовать с так называемой мощностью короткого
замыкания.
Мощность короткого замыкания состоит из сопротивления электропроводности
от места подачи питания до ближайшего трансформатора. Это сопротивление в
свою очередь зависит от поперечного сечения и от длинны сетепровода. Если
поперечное сечение большее, а длинна небольшая, то мощность короткого
замыкания большая, которая в свою очередь позволяет большую мощность подачи.
Возможности использования избытка тепловой энергии генератора
Подача тепла
Жилые и животноводческие помещения, бассейн,
транспортировка тепла на небольшие расстояния
в жилые районы, отопление офисных
помещений, домов престарелых, теплиц.
Сушка
Зерновые, солома, поддоны с зеленой мукой,
древесины и опилок
Накопление на зимний период
В грунте при помощи водных, пещаных или
земляных накопителей
Выработка холода
При помощи агрегатов по производству
эелектрики-тепла- холода
Таблица 5.9: Возможности по применению избытка выделяемой тепловой
энергии
Опыт показывает, что мощность до 15 кВт большинство сельских домов
воспринимают без проблем. Если мощность выше, то может возникнуть
необходимость в укреплении сети или равномерной поддержке напряжения. В
отдельных случаях (высокая мощность подачи в сеть, низкая мощность короткого
замыкания сети) нельзя вести подачу с низким напряжением. В таком случае подача
в сеть среднего напряжения ведется через трансформатор, который будет
дополнительно стоить от 25000 до 50000 Евро.
5.4.4 Использование избытка тепла
Целью работы генератора, является не только получение электроэнергии, но и
использовать как можно более эффективно избыток выделяемого тепла двигателя.
Зимой с этим не возникает никаких
проблем, особенно в небольших сельских
хозяйствах, поскольку кроме ферментатора отопление еще требуется для дома и
животноводческих помещений. С возрастающими размерами биогазовых установок,
не только летом, но и зимой возникает большой переизбыток тепла. Часть избытка
тепла используется для поддержания температурного режима ферментатора, но
часто большая его часть «утилизируется» при помощи аварийного охладителя. В
качестве аварийного охладителя используется пластинчатый теплообменник,
соответствующий мощности двигателя (охладитель для легкового или грузового
автомобиля) с вентилятором, работающим от сети и управляемым при помощи
термостата, размещаемом вне технического помещения.
Доплата за объединенную выработку тепловой и электрической энергии
Чтобы стимулировать использование избытка тепла, Закон о энергетике ЕС от
2004 г. был дополнен положением о доплате за объединенную выработку тепловой
и электрической энергии. Согласно ему использование избытка тепла по базовому
тарифу (и возможной доплате за использование возобновляемых источников
энергии) можно применить доплаты за совместное производство тепловой и
электрической энергии в размере 2 центов/кВт*ч. Для этого однако принципиально
важно учитывать, что
1. Оплачивается только полезное применение тепла от совместного
производства тепловой и электрической энергии
2. Значение имеет индекс тока.
Полезное тепло – тепло, которое можно использовать в полезных целях. В этом
случае не принимается во внимание обогрев ферментатора и избыток тепла,
полученный от аварийного охладителя.
Основные характеристики тока – соотношение электрического и термического
КПД. Если электрический КПД 35%, а термический КПД 50%, то коэффициент
будет 0,7.
Расчет доплаты за объединенное производство тепловой и электрической
энергии
происходит следующим образом:
полезное тепло х коэффициент тока х 2 цента/кВт*ч
Пример:
биогазовая установка с генератором, 100 кВт установленная электрическая
мощность, электрический КПД 35%, термический КПД 50%, коэффициент тока
0,7;
Эффект сгорания (эквивалент мазуту: 0,45 Евро/1/10 кВт*ч/л =) 4,5 цент/кВт*ч
Произведенный электрический ток (7000 полных часов/год) = 700 000 кВт*ч/год
Выработанное тепло = 1050 000 кВт*ч/год
Полезное тепло (выработанное тепло – отопление ферментатора и т.д.) =
700 000 кВт*ч/год
Использование выработанного тока:
700 000 кВт*ч х 17,5 цент/кВт*ч = 122,500 Евро/год = 74,7%
Использование полезного тепла:
700 000 кВт*ч х 4,5 цент/кВт*ч = 31 500 Евро/год = 19,2%
Доплата за обединенную выработку тепловой и электрической энергии : 700 000
кВт*ч х 0,7 х 2 цента/кВт*ч = 9800 Евро/год = 5,9%
Общяя польза = 163 800 Евро/год = 100%
Расчет показывает, что доплата за объединенное дает в общей сложности лишь
6%. Таким образом, многое зависит от использования избытка тепла чтобы
улучшить общие показатели. Возможные пути избыточного тепла приведены в
Таблице 5.9.
В то время как для установок менее чем на 100 кВт коэффициэнт тока от 0,6 до
0,7 является правилом, для больших установок он может достигать до 1,0. Таким
образом доплата за объединенную выработку тепловой и электрической энергии
при одинаковом количестве полезного тепла может быть до 50% выше. Это также
значит, что биогазовые установки больших размеров имеют преимущества при
использовании избытка тепла от доплаты за объединенную выработку тепловой и
электрической энергии.
Использование избытка тепла двигателей
При использовании избытка тепла двигателей (Изобр. 5.13) необходимо обратить
внимание, чтобы разница в температуре в системе охлаждения не была слишком
большой. Исходящяя температура в верхней части двигателя при помощи
термостата задается как правило на уровне 85-95˚С. Температура возвратного
течения не должна понижаться менее чем до 60˚С. Однако это условие тяжело
выполнить, если охлаждающая воде подается непосредственно в накопительный
резервуар, который например в этот момент опорожняется на низкой температуре.
Помочь может трехходовой смеситель отопления, установленный в водопроводе
охлаждения между двигателем и накопителем.
Использование тепла отработанных газов целенаправленно происходит в два
этапа при помощи теплообменника и колена, омываемого водой. Первое часто
имеет устройство двойного кожуха или кожухотрубчатого теплообменника в котором
вода протекает в противоположном направлении от движения отработанных газов;
этот теплообменник устанавливается со сторны отработанных газов перед коленом,
которое часто – преимущественно по причине стоимости – не конструируют под
теплообменник.
У газожидкостных двигателей внутреннего сгорания на поверхности
теплообменника образовываются наслоения сажи, которые со временем ухудшают
теплообмен и увеличивают аэродинамическое сопротивление. Поэтому
теплообменник отработанных газов должен легко открываться и чиститься, чего, к
сожалению, невозможно делать с некоторыми моделями.
Через замерение температуры отработанных газов можно хорошо проверить
исправность теплообменника отработанных газов. Если при эксплуатации на чистом
природном газе или мазуте (почти не содержащий серы мазут) температуру
отработанного газа можно понизить до 100˚С, то если в качестве топлива
применяется биогаз, то она не должна быть ниже 180˚С с целью избежания
коррозии теплообменника от серы. Если во время работы температура
отработанных газов повышается, то это свидетельствует либо о загрязнении или о
возрастании входящей температуры охлаждающей воды.