Centrale de cogenerare

Centrale de cogenerare

Consideratii preliminare

Situatia urbanistico - energetica in spatiul european este caracterizata de doua tendinte determinate de necesitatea aasigurarii unor servicii de calitate , cu consumuri minime de energie si costuri cat mai reduse:

Reabilitarea termica a cladirilor existente care , in cea mai mare parte a tarilor europene , depaseste ca volum constructia de locuinte noi:

Reabilitarea si modernizarea sistemelor de incalzire si preparare a apei calde de consum in scopul cresterii eficientei energetice .

In tara noastra sunt alimentate cu caldura in sistem centaralizat circa 3 milioane de apartamente in numeroase centre urbane si cartiere , termoficarea reprezentand unica infrastructura pentru alimentarea cu caldura . Din aceasta cauza ameliorarea ansamblului de producere , transport si consum al energiei termice , precum si marirea eficientei producerii combinate a energiei electrice sitermice , constituie prioritati care trebuie luate in considerare .

In prezent energia electrica si termica sunt obtinute din carbuni, petrol , gaze naturale , combustibili nucleari. Energia termica provine in cea mai mare parte din centrale termoelectrice.

Intr-un sistem energetic durabil aceste solutii vor trebui limitate,recurgand tot mai mult la forme regenerabile de energie . Caldura obtinuta prin cogenare este considerata ca avand un impact pozitiv asupra mediului ,doar in masura in care electricitatea este necesara si nu poate fi produsa decat cu consumabilii folositi in centrale termoelectrice.

Cogenerarea (producerea simultana in aceleasi instalatii, a caldurii si a lucrului mecanic)este recunoscuta ca fiind cea mai eficienta solutie penru obtinerea energiei electrice si termice. Aparitia noilor tehnologii priviind cogenerarea de putere mica relanseaza problema optimizarii gradului de centralizare a surselor de energie electrica si caldura .

Clasificarea solutiei de cogenerare functie de puterea electrica instalata

Avantaajele introducerii cogenerarii de mica putere sunt urmatoarele :

Adaptare buna la conditiile locale ,in ceea ce priveste dinamica cererii de energie electrica a consumatorilor.

Flexibilitate in alegerea conbustibilului ( utilizarea deseurilor si a resurselor secundare locale)

Siguranta marita in alimentarea cu energie electrica a consumatorilor

Reducere a emisiilor de noxe

Investitii totale mici

Situatiile de pornire a dezvoltarii cogenerarii de mica putere sunt foarte diferite de la tara la tara iar avantajele sunt perepute si ele difereit,chiard aca se tine spre o armonizare a contextului legislativ si economic.

Numarul unitatilor de cogenerare de mica putere instalate in unele tari europene

Caracteristici ale echipamentelor de cogenerare de mica putere

Tehnologiile de inalta performanta au dus la aparitia echipamentelor speciale destinate producerii energiei electrice si termice la o putere redusa.

Microturbinele cu gaze reprezinta o noutate in tehnologiile de cogenerare. Ele pastreaza principiile de baza ale turbinelor cu gaze de putere mica si medie, dar utilizeaza tehnici speciale privind evacuarea energiei electrice produse, lubrefierea lagarelor, etc. Noua tehnologie, care nu utilizeaza decat instalatii de mica putere pentru producerea simultana de electricitate si de caldura se numeste hsgt (hight speed generation tehnology). Scopul sau este de a utiliza un generator electric de turatie ridicata, cuplat la acelasi ax cu o turbina de gaze.

Sectiune microturbina pe gaze

Compresor centrifugal camere ardere

Microturbinele functioneaza dupa un ciclu brayton deschis care nu presupune racire. Aerul de ardere intra in compresorul de tip centrifugal. Pentru a evita pierderile de presiune totala, presiunea dinamica, ce este produsa din cauza vitezei foarte mari a aerului la intrarea in compresor, este transformata in presiune statica de catre un difuzor. Dupa aceasta faza, aerul intra intr-un recuperator de caldura unde este preincalzit de gazela de ardere evacuate din turbina. Inainte sa intre in arzator, combustibilul este amestecat omogen cu aer comprimat si preincalzit.datorita acestei tehnici, se poate controla strict temperatura si se pot minimiza emisiile de oxizi de azot.

Camera de ardere este formata din doua unitati (de tip poluare redusa), destinate sa asigure o buna ardere la pornire si la sarcina nominala. Gazele de ardere ies din camera de conbustie si intra in turbina, unde se destind. Astfel temperatura gazelor coboara pana la aproximativ 300 °c.

Turbina este de tip radial, fara racirea paletelor. Ea este sustinuta de doua lagare lubrifiante, plasate de ambele parti ale unui magnet permanent. Gazele de ardere evacuate intra intr-un schimbator de caldura, pentru preincalzirea aerului de ardere inainte de intrarea in camera de ardere. Dupa aceasta, gazele de ardere trec printr-un recuperator pentru livrarea caldurii utile.

Generatorul electric hsgt este o masina de curent alternativ, sincron, care are aceeasi viteza de rotatie ca si frecventa curentului electric produs. La sarcina nominala, viteza de rotatie este de 60 000.100 000 rot/min., pentru o putere electrica de 20.50 kw. Pentru pornire se utilizeaza un motor auxiliar. Campul magnetic este multiplicat de catre un magnet puternic cu doi poli, care este protejat intr-o carcasa de otel.

Principaliii poluanti, in cazul microturbinelor cu gaze, sunt oxizi de azot (nox), monoxidul de carbon (co) si gazele organice reactive (rog). Datorita camerei de conbustie, se poate controla cu usurinta nivelul de(nox). Controlul nivelului nox-ului scade eficienta sistemului, in timp cecontrolul co si al rog creste randamentul turbinei. Teoretic, nivelul maxim de nox pentru o microturbina cu gaze este de 9 ppm. Aderea catalitica poate sa reduca nivelul pana la 3 ppm, care reprezinta limita de precizie a masuratorilor.

Motoarele termice. Centralele de cogenerare folosesc, in general, trei tipuri de motoarecu piston : motoare industriale cu gaz, motoare derivate din cele de automobil si motoare disel. Cel mai utilizat combustibil este gazul.

Motoarele industriale sunt grele si stationare. Ele au fost dezvoltate pentru a asigura producerea fiabila a energiei electrice, in conditii de costuri minime pentru mentenanta. Motoarele cu aprindere prin scanteie si motoarele diesel sunt cele mai potrivite pentru centralele de cogenerare. Principala lor functie este de afurniza electricitate atunci cand reteaua electrica nu este disponibila, de exemplu in campurile petroliere. Ele au o durata de viata extrem de indelungata si presupun un efort de intretinere relativ redus.

Motoarele derivate din cele de automobil sunt larg utilizate pentru puteri mai mari de 200 kwe. Atunci cand se folosesc in sistemele de cogenerare aceste motoare deriva din motoarele de camion convertite sa functioneze pe gaz. Acestea sunt realizate prin modificarea pistoanelor, a capetelor cilindrilor pentru a raspunde diferitelor cerinte ale motoarelor cu scanteie.

Un important beneficiu al convertirii generatoarelor de siguranta in centrale de cogenerare este faptul ca un motor folosit regulat si bine intretinut ar trebui sa aiba o buna siguranta in functionare pentru a face fata cererii de energie electrica pe termen lung. Cand se compara intre ele diversele solutii de cogenerare cu motoare, este foarte important sa se faca o estimare realista a costurilor de mentenanta pe durata de viata.

Folosirea motoarelor doar pentru rezerva in caz de avarie a retelei poate sa para atractiva. Convertirea lor la cogenerare poate sa presupuna in plus instalarea unor echipamente de recuperare a caldurii si de conectare la reteaua de alimentare cu energie termica, costurile totale fiind mai reduse decat instalarea unei unitati noi de cogenerare.

recuperarea unei parti din caldura pierduta permite folosirea motorului ca sursa de caldura pentru termoficare sau/si in scop intern pentru incalzirea combustibilului.

apa de racire care iese din motor la cca 70°c se supraincalzeste de la gazele de ardere intr-un schimbator de caldura pana la 90.95°c, fiind transmisa la consumator sau in lipsa acestuia la un recuperator pentru racire de unde se intoarce in motor la temperatura de 40.50°c. Uleiul se raceste separat cu apa la temperatura mai joasa. In mod curent se folosesc motoare alimentate cu gaze combustibile.

Generatoare cu motoare cu combustie interna se pot imparti in doua tipuri :

Cu grupuri compacte care includ schimbatoarele de caldura ;

Cu schimbatoare independente, dimensionate in functie de cerintele circuitului de utilizare.

In primul caz tipurile uzuale sunt de capacitate reduse(300..400kw electrictic), pentru care temperatura maxima in circuitul de incalzire este de 90 °c, realizata prin transfer de caldura in circuitul de apa de racire si in schimbatorul-recuperator montat pe circuitul gazelor de esapare.

In al doilea caz dimpotriva se poate produce abur cu un recuperator /cazan prevazut pe circuitul gazelor de esapare si suplimentar apa calda(de temperatura joasa 80.85°c) din alte surse precum recuperarea de caldura de apa din motor. In comparatie cu solutiile clasice cu cazane de apa la proiectarea interconectarii grupului de cogenerare cu reteau termica trebuie sa tina seama de o serie de particularitati ale motorului.

principala diferenta intre turbinele de gaz si motoarele termice este faptul ca aproape 2,3 din caldura evacuata din motor este de joasa temperatura.

pilele de combustie folosesc o metoda electrochimica pentru transformarea in electricitate a energiei chimice continute de combustibil cum ar fi hidrogen, gaz natural sau gaz cocs.

prima natura a functionarii lor, pilele de combustie sunt nepoluante si eficiente ; utilizand combinarea electrichimica intre hidrogen si oxigen pentru a produce apa, energie electrica si caldura. Functionand cu hidrogen pur, nu apar emisii poluante. Chiar daca se foloseste gazul acelora acceptate pentru echipamentele conventionale.

prin acest procedeu apare o crestere semnificativa a eficientei energetice fata de metodele clasice de producere a energiei, prin eliminarea etapelor intermediare ale conversiei.

acest avantaj este prezent la orice scara de putere, deci aceste echipamente functioneaza eficient si la sarcini partiale. Centralele de cogenerare cu pile de combustie au devenit o fiabilitate fara precedent,mult mai buna decat a centralelor clasice.

absenta arderii si miscarii mecanice face ca pilele sa functioneze fara oprire perioade lungi de timp, fiind mult mai putin expuse la incidente sau defectiuni.

pilele de combustie ofera securitate in alimentarea cu energie electrica si prin faptul ca pot folosi hidrogen provenit de la diverse surse, incluzand gazul natural, propan, carbune sau surse regenerabile(biomasa, energia eoliana sau energia solara).

pilele de combustie ofera posibilitatea de a oferi clientilor servicii energetice cu o inalta valoare adaugata care nu se supun acelorasi reglementari ca si sursele conventionale si pot duce la costuri globale mai scazute avand eficienta maxima.

Centrale de cogeneare cu motoare termice

in sisteme de incalzire urbana

centralele de cogenerare echipate cu motoare cu gaz produc electricitate cu ajutorul unuimotor sincron si furnizeaza caldura pentru termoficare prin intermediul gazelor de ardere si a apei utilizate pentru racirea motorului. Eficienta de generare a motoarelor cu combustie interna este mai mare de 80%, iar raportul maxim de putere si caldura este unitar.

costurile de investitie si cele de exploatare sunt independente de puterea nominala a agregatului care poate fi cuprinsa intre 1 si 17 mwe .

in mod obisnuit se folosesc de la 2 la 6 module similare in aceeasi centrala astfel incat se pot realiza cu usurinta iesiri intre 2/2 si 100/100 mwe/mwt. Cresterea numarului de unitati reduce costurile de exploatare sporind capacitatea si eficienta globala.

centralele de cogenerare cu motoare termice cu gaz se conecteaza la sisteme de incalzire prin intermediul schimbatoarelor de caldura. Acestea se dimensioneaza astfel incat temperatura gazelor de ardere la cos sa nu depaseasca valoarea de 150 °c. Temperatura apei la iesirea din schimbator are valori intre 85 si 90°c similar cu apa calda produsa in cazane clasice, in timp ce temperatura de intrare este 65/70°c dupa racirea generatorului.

in general centralele de cogenerare se dimensioneaza pentru a acoperi 50.60 % din necesarul termic si 80 .90 % din necesarul anual de energie electrica

interdependentza caldura- energie electrica impune corelarea si compensarea consumurilor cu surse complementare . Structura optima a capacitatii de generare, respectiv raportul dintre capacitatea de baza si cea de varf , este determinata in mod esential de procnoza necesarului de caldura si de electricitate , precum si de variatiile diurne si anuale ale consumurilor

in sistemele de termoficare de mica capacitate , sub 30 gwh/an si incarcarea la varf de mwt se recomanda cu servirea cu cazane de apa calda . In cazul unor consumuri anuale cuprinse intrea 30 si 100 GWh/an se recomanda cogenerarea daca se previzioneaza cresterea necesarului de caldura . pentru consumuri anule mai mari de 100 GWh/an si sarcini de varf peste 30 MWt sistemele de cogenerare reprezinta solutia optima.

In sistemele de cogenerare energia de baza (termica si electrica)este asigurata de centrala de cogenerare, in timp ce sarcina de varf pentru caldura , este preluata cu cazane de apa fierbinte-calda ,iar pentru electricitate cu turbine de gaz . Capacitatile de rezerva necesara pentru oprile programate sau accidentale ale unitatilor generatoare trebuie sa fie capabile sa preia sarcinile de varf.

Rezerva se stabileste in general considerand ca in conditii de avarie cea mai mare unitate termica este scoasa din functiune , iar necesarul de consumatori poate fi diminuat cu maximum 10 %. Pentu sarcina electrica capacitatea de rezerva trebuie sa fie de cel putin 15% din necesarul deputere maxim orar.

STABILIREA REGIMULUI OPTIM DE FURNIZARE. Divizarea capacitatii in incarcare de baza intermediara si de varf se face folosind curbele anuale de timp si costurile anuale specifice fiecarui tip de energie produsa .

Costurile anuale specifice unui tip i de generare a energiei(de daza, intermediara sau de varf) in functie te tipul t de operare pot fi calculate cu relatia :

K_i=F_i+R_it_i

In care K este costul anual specific ;F-costuri specifice fixe ; Rcosturi specifice variabile ;t-timpul de operare.

Corelatiile costurilor anuale pentru fiecare tip de generare,sunt lineare si se intersecteaza in punctele t_ijrespectiv :t₁₂=(F₂-F₁)/ (R₁-R₂)si t₂₃=(F₃-F₂)/ (R₂-R₃).

Divizarea optima a capaacitatii totale de generare intre tiputile1 se determina prin propietatea punctelor t₁₂,t₂₃ pe curba de durata in punctele Bsi C.

Segmentele determinate pe ordonata de paralele la axa absciselor duse prin punctele B si C copespund capacitatilor optime de varf (AB)intermediare (BCsi de baza (CO). Ariile delimitate pe diagrama de durata corespund valorilor optime ale energiei livrate : in regim de varf (1)intermediar (2)si de baza (3)

Din punct de vedere tehnic solutiile de cogenerare de mica puterereprezinta la momentul actualo oferta pe deplin compatibila cu solutiile clasice de producere simultana a energiei electrice si termice.

Eficienta conversiei energiei primare