31.10.2015
Kogenerační jednotka se spalovacím motorem
Modul teplárenské výroby a účinnost
Důvody pro instalaci KJ mohou být dva : • výroba elektřiny pro vlastní spotřebu, a tím snížení nebo odbourání nákladů za odběr elektřiny za sítě • výroba elektřiny na prodej, a tím snížení ceny tepla vyráběného pro vlastní potřebu
Spalovací motory lze použít, pokud se pro dodávku vystačí s rozvodem tepla pomocí vodní sítě do 120°C. Až u velkých spalovacích motorů cca 5 MW se může vyplatit komplikace spojená s tím, že část tepelného výkonu (z výfukových plynů) se dodává v páře, část (z chlazení pláště a z chladiče oleje) ve vodě.
Je však třeba mít na paměti, že KJ je kombinovaným zdrojem elektřiny a tepla, a její ekonomický provoz je podmíněn efektivním zhodnocením obou současně generovaných forem energie.
Schéma vnitřního uspořádání KJ TEDOM
1
31.10.2015
1 spalovací motor 2 generátor 3 rám 4 protihlukový kryt 5 spalinový výměník 6 výměník primárního okruhu 7 chlazené výfuková roura 8 chladič plnící směsi 9 vyrovnávací nádrž prim. okruhu 10 exp. nádoba okr. chlaz. pí. směsi 11 těleso termostatu 12 směšovač 13 regulátor výkonu 14 škrtící klapka 15 nulový regulátor 16 odlehčovací elektroventil plynu 17 uzavírací elektroventil plynu 18 čistič plynu 19 tlumič výluku 20 kompenzátor výf. potrubí 21 kovová hadice 22 kompenzátor prim. okruhu 23 ventilátor 24 el.motor čerpadla prim. okruhu 25 čerpadla okruhu chlaz. plnící směsi 26 svorkovnicová skříň 27 zdroj napájení zapalovací soustavy 28 elektronické zapalování 29 regulátor doplňování oleje 30 akustická izolace 31 zapalovací cívky 32 detektor úniku plynu 33 odlehčovací ventil 34 prostorový hlídač teploty 35 olejová nádrž 36 čistič vzduchu
KJ stavebnicového uspořádání
Konstrukční uspořádání KJ Z různých vývojových variant řešení kogeneračních jednotek se dnes prakticky objevují pouze dvě, a to: • stavebnicové uspořádání – instalace KJ z dodaných dílů je ponechána na zákazníkovi, • modulové uspořádání – představuje dodávku plně funkční sestavy s definovanými přípojnými body
KJ stavebnicového uspořádání je odběrateli dodána rozložená na základní díly • motor s generátorem, • výměníky, • čerpadla, • tlumiče sání a výfuku.
Instalace jednotky je dispozičně přizpůsobena prostoru, ve kterém bude umístěna. Výhodou je nižší cena a lepší přístupnost pro opravy a údržbu. Stavebnicové uspořádání je běžné u výkonů nad 1 MWe, kdy rozměry smontované jednotky mohou přesáhnout dopravní možnosti.
Základní části KJ Plynová trať Plynový motor Generátor elektrického proudu Výměníky tepla • výměník primárního okruhu • chladič oleje • spalinový výměník • chladič plnící směsi
Odvod spalin Ventilační zařízení
Prostředky ke snížení hluku Hlavním zdrojem hluku při provozu KJ je spalovací motor. Hluk se z motoru do okolního prostředí šíří dvěmi cestami : • prostupem přes stěny skříně nebo budovy • s odcházejícími výfukovými plyny
Omezení prostupu hluku do okolního prostředí • KJ se opatřuje protihlukovým krytem • ventilačními otvory skříně musí být tyto opatřeny akustickým tlumičem
Útlum protihlukových krytů bývá 15 až 25 dB. Omezení hluku vycházejícího z výfukového potrubí motoru • montují se tlumiče výfuku • je vhodné použít speciální tlumič výfuku laděný pro daný výkon motoru, počet válců a otáčky.
Základní útlum těchto tlumičů bývá 25 až 35 dB Pro speciální případy lze docílit celkového útlumu kolem 50 dB.
Přístupy ke snižování emisí KJ Limity emisí znečišťujících látek ve výfukových plynech plynového motoru KJ stanovuje Vyhláška č. 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování: • oxidy dusíku NOx 500 mg/Nm3 (Nm3 ≈ normální m3) • oxid uhelnatý CO 650 mg/Nm3 • organické látky – uhlovodíky 150 mg/Nm3
Splnění předepsaných emisních limitů se u plynových motorů KJ dosahuje dvěma základními způsoby: • spalování bohaté směsi při stechiometrickém poměru paliva se vzduchem s následnou redukcí škodlivých látek pomocí třícestného katalyzátoru • spalováním chudé směsi bez katalyzátoru, případně s oxidačním katalyzátorem
2
31.10.2015
Připojení KJ na dodávku tepla Dodávka tepla bývá zajišťována kromě KJ ještě z dalších paralelně zapojených zdrojů - z teplovodních kotlů • KJ se v těchto případech zapojuje na společný sběrač a rozdělovač. • dodávku tepla z KJ je nutné sladit s dodávkou tepla z kotlů hlavně z hlediska dodržení teploty vratné vody. • je nutno zajistit hydraulické vyvážení celé soustavy.
Sekundární okruh Zajišťuje vyvedení hlavního tepelného výkonu z chlazení motoru a spalin KJ do topného systému. Náplní sekundárního okruhu smí být pouze upravená voda (dle ČSN 07 7401). Obvyklé parametry sekundárního okruhu jsou
Vyvedení tepelného výkonu z KJ je realizováno dvěma nezávislými okruhy: • sekundární okruh • technologický okruh
• uváděný maximální tepelný výkon jednotky je součtem tepelných výkonů obou okruhů při jejich plném využití.
Zapojení okruhu pro zajištění minimální teploty vratné vody • Okruh pracuje standardně s teplotami vratné vody od 30 do 70°C. • Pro trvalý provoz je vhodné, aby teplota vratné vody byla vyšší než 50°C
Zapojení sekundárního okruhu pro předehřev vratné vody • V případě dodávky tepla na vyšší teplotní úrovni je možné sekundární okruh použít k předehřevu vratné vody pro kotle • Průtok jednotkou může být zabezpečen čerpadlem nebo škrtícím prvkem zařazeným do hlavního potrubí ze sběrače mezi odbočku a výstupní potrubí z jednotky.
Zapojení KJ do topného systému paralelně s jinými zdroji tepla • V teplovodních topných systémech pracujících v teplotním režimu 90/70°C je možné sekundární okruh jednotky připojit přímo do rozdělovače a sběrače paralelně s jinými zdroji tepla • Na vstup a výstup jednotky je nutné instalovat uzavírací armatury pro odpojení jednotky od topného systému při provádění servisních prací
Technologický okruh KJ Je realizován pouze u KJ s přeplňovaným motorem Odvádí teplo z chlazení plnící směsi za turbodmychadlem. Parametry technologického okruhu běžné u většiny KJ
3
31.10.2015
Závislost parametrů KJ na teplotě vratné vody technologického okruhu • Využití tepla z technologického okruhu podstatnou měrou ovlivňuje výkon motoru, tedy elektrický výkon jednotky. • Okruh může pracovat s teplotami vratné vody od 30 do 70°C, přičemž jmenovitý elektrický výkon KJ odpovídá nejnižší teplotě. S nárůstem teploty výkon klesá. • Konkrétní teplotě vratné vody odpovídá i určitá velikost tepelného výkonu technologického okruhu. • Pokud je tento výkon využíván, ovlivňuje i celkový tepelný výkon jednotky daný součtem tepelného výkonu sekundárního a technologického okruhu.
Zapojení technologického okruhu přímo do přívodu vratné vody sekundárního okruhu • Lze získat pouze poměrnou část maximálního elektrického výkonu jednotky v závislosti na velikosti teploty vratné vody. • Tato možnost je omezena dodržením maximální teploty vratné vody 70°C a maximálním tlakem technologického okruhu 3 bar. • Do topného okruhu pracujícího s tlakem nad 3 bar je možné technologický okruh zapojit pouze přes oddělovací výměník.
Druhy provozu KJ Druh provozu KJ určuje především způsob spolupráce s veřejnou elektrickou sítí. Z tohoto pohledu jsou možné tři základní druhy provozu kogenerační jednotky : • paralelní provoz se sítí • ostrovní provoz • nouzový provoz
Je nutné zdůraznit, že pro KJ vybavené asynchronním generátorem je možný pouze a jenom paralelní provoz se sítí
Zapojení technologického okruhu s oddělovacím výměníkem • Využití tepelného výkonu technologického okruhu v nízkoteplotních tepelných okruzích např. pro předehřev TUV, ohřev vody v bazénech či jiných technologiích • Při použití neupravené vody je nutno okruh oddělit oddělovacím výměníkem
Zapojení s nevyužitím tepelného výkonu technologického okruhu • Předpokládá maření tepelného výkonu technologického okruhu v externí chladicí jednotce
Běžně plánované lhůty údržby a oprav výměna oleje výměna svíček seřízení kontaktů svíček seřízení ventilů čistění spal. výměníku výměna hlavy střední oprava generální oprava
600 – 1 200, u velkých KJ až 5 000 hod 1 000 – 4 000 hod 500 – 2 000 hod 800 – 2 000 hod 1 x ročně nebo po 5 000 – 10 000 hod 6 000 – 12 000 hod 10 000 – 25 000 hod 20 000 – 50 000 hod
4
31.10.2015
Optimalizace vykrytí diagramu trvání potřeby tepla
Soustavy s tepelným čerpadlem
Využití KJ pro výrobu TUV s využitím akumulace při centrální výrobě TUV
Princip kompresorového tepelného čerpadla
tepelná čerpadla odebírají teplo z okolí a přívodem energie (elektrické nebo tepelné) je převádějí (přečerpávají) na vyšší teplotní úroveň teoretický topný faktor ε = poměr přiváděného a tepelným čerpadlem dodávaného tepla
Qo teplo odebírané z okolí Qp tepelný ekvivalent přiváděné energie Qtč = Qo - Qp teplo dodávané tepelným čerpadlem
Možnosti získávání nízkopotenciálního tepla pro použití TČ ve vytápění
Systém voda - voda Požadavky pro instalaci: • dvě studny s dostatečnou vzdáleností • vhodné chemické složení čerpané vody • minimální celoroční teplota vody +8 °C • dostatečný průtok vody ověřený minimálně čtrnáctidenní čerpací zkouškou • povolení vycházející z platné legislativy • povolení vycházející ze zákona o nakládání s vodami, • stavební povolen • povolení Českého báňského úřadu
Výhody: • stálý výkon tepelného čerpadla • příznivý topný faktor • nízká pořizovací cena Nevýhody: • složité technické řešení • závislost na množství podzemní vody • nebezpečí vyčerpání studny • přísné nároky na složení, tepl. a množství vody • vyšší nároky na údržbu • v případě neodborného provedení hrozí narušení ekologické rovnováhy podzemních vod
5
31.10.2015
Systém země - voda
Systém vzduch - voda
Požadavky pro instalaci: • zemní kolektor
Požadavky pro instalaci: • minimální (základ pod výparník při venkovním provedení nebo prostupy zdí a zajištění odvodu kondenzátu při vnitřním provedení)
• plošný (horizontální) nebo • hloubkový (vertikální)
• povolení vycházející z platné legislativy
• povolení vycházející ze zákona o nakládání s vodami, • stavební povolení a • povolení Českého báňského úřadu
Výhody: • stálý výkon tepelného čerpadla Nevýhody: • vysoké pořizovací náklady (cena se navyšuje o zemní práce) • vysoké nároky na technické řešení kolektoru • teplota primárního okruhu - vertikální kolektor cca 0 °C, horizontální kolektor, cca -3 °C • nutnost regenerace kolektoru, tj. odstávka tepelného čerpadla (v letním období nelze ohřívat teplou užitkovou a bazénovou vodu) • požadavek velkého prostoru pro kolektor • vliv na vegetaci na povrchu kolektoru
Výhody: • snadná instalace • nízká pořizovací cena • možný celoroční provoz s efektivním využitím pro přípravu teplé užitk. vody a vody v bazénu • nižší topný faktor v zimních měsících je kompenzován velmi vysokým topným faktorem v přechodném období • prům. teplota vzduchu v topném období +3 °C • nenarušují teplotní rovnováhu okolí Nevýhody: • závislost topného výkonu na teplotě venkovního vzduchu
Monovalentní provoz
Provozní režimy TČ vzduch - voda u systému vzduch – voda přichází v úvahu Monovalentní provoz - tepelné čerpadlo je jediným zdrojem tepla Alternativně-bivalentní provoz - tepelné čerpadlo pracuje pouze po část topné sezóny, při největších mrazech je odstaveno a teplo pak dodává další zdroj (kotel). Paralelně-bivalentní provoz - tepelné čerpadlo pracuje po celou topnou sezónu, při nejnižších teplotách se připojí se další zdroj tepla (kotel) a oba zdroje pracují současně. Částečně paralelně-bivalentní provoz - tepelné čerpadlo pracuje pouze po část topné sezóny, při největších mrazech je odstaveno. Teplo pak dodává další zdroj (kotel). Před odstavením pracují oba zdroje jistou dobu společně.
Paralelně-bivalentní provoz
vhodný zvláště pro nízkoteplotní vytápěcí soustavy s teplotou otopné vody do 60 °C.
Alternativně-bivalentní provoz vhodný pro otopné soustavy vyžadující teplotu otopné vody do 90 °C.
Částečně paralelně-bivalentní provoz
předpokládaný růst cen energií je 7% za rok.
6
31.10.2015
Tepelná čerpadla pro bytové domy
Centrální zásobování chladem Centralizované zásobování chladem s absorpčním chlazením (CZCH) může být vhodným doplňkem teplárenských soustav, • vyrovnává letní propad potřeby tepla. • zvětšuje se dodávka tepla i výroba elektřiny. • zlepšuje se průměrné vytížení a účinnost zařízení
Dvě možné koncepce CZCH: a) ústřední chladicí stanice s absorpčními chladicími agregáty zvláštní rozvod chladicího media do chladem zásobovaných objektů. Chladicím mediem je voda ochlazená na cca 4-5°C, která se vrací oteplená na 10 až 11°C.
• Výhody: levnější chladicí stanice • Nevýhody: zvláštní rozvod chladící vody, náročnější plánovací příprava průzkum potřeby chladu
b) decentralizovaně umístěné absorpční chladicí agregáty v jednotlivých zásobovaných objektech, pro jejich provoz se dodává teplo normální tepelnou sítí, podmínkou je dostatečná teplota teplonosné látky.
• Výhody: odpadá rozvod chladicí vody, odběratele chladu lze připojovat kdekoliv bez zvláštního průzkumu • Nevýhody: při stejné potřebě chladu vyšší celkové (součtové) náklady na chladicí agregáty.
Schéma absorpční chladničky
Schéma absorpčního chladícího zařízení
• chladivo nasávané z výparníku je nejprve v absorbéru „nasáto“ a „rozpuštěno“ ve vhodné absorpční kapalině
Qok Qp
• v kondenzátoru je z absorpční kapaliny opět vypuzeno • dá se hovořit o „chemickém kompresoru". • teplo je přímo přeměňováno na chlad
Princip činnosti absorbér opouští chladivém obohacený roztok roztok je čerpadlem dopravován do desorbéru (generátoru) přívodem tepla se zde chladivo z roztoku vyloučí chladivo se v navazujícím kondenzátoru chladicí vodou zkapalní zbývá zředěný absorpční roztok, který proudí opět do absorbéru zde je rozstřikován přes trubky, jimiž proudí chladící voda, aby byl absorbovaným parám chladiva poskytnut velký absorpční povrch • uvolněné výparné teplo se při tom odevzdává chladicí vodě, která protéká trubkami.
• • • • • •
Jsou zde dva okruhy: • rozpouštědlo mezi absorbérem a desorbérem, • chladivo mezi desorbérem, kondenzátorem, výparníkem a absorbérem.
• oba proudy obohaceného a ochuzeného roztoku jsou vedeny do protiproudého výměníku tepla, aby byl studený koncentrovaný roztok předehřát.
Qod
Qch
Trigenerace kombinovaná výroba elektřiny, tepla a chladu umožňuje • využít teplo z KJ i v létě, mimo topnou sezónu, a tím dosáhnout zvýšení ročního využití • snížit náklady za chlazení pomocí kompresorového chladiče, který musí být poháněn elektřinou.
vyrobený chlad je využit • pro klimatizaci v hotelích, administrativních a obchodních centrech, nemocnicích, sportovních halách atd. • v průmyslu ( až do – 60°C).
7
31.10.2015
Schéma trigenerace
8
