Online Electric

This article discusses how to obtain energy from biogas plants, cogeneration plants to produce electricity using gas obtained from biogas plants.

Key words: power generation, cogeneration technology, power equipment, biogas, biogas plants, the benefits of cogeneration.

Энергетика является одной из основ развития экономики современного общества. Недостаточность производства электроэнергии, ее растущая дороговизна сдерживают развитие отраслей промышленности и сельского хозяйства. Энергетические предприятия, построенные усилиями советского государства для производства электрической и тепловой энергии, имеют громадные мощности, однако в настоящее время многие из них имеют низкое качество электроэнергии и изношенность тепло- и электросетей. При эксплуатации этих электростанций, получение электричества и тепла заключается в их раздельной генерации (электростанция и котельная), и значительная часть энергии первичного топлива не используется, так как основное количество выработанного тепла сбрасываются в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т.п.

Технология когенерации является одной из ведущих в мире. Уровень распространения когенерации в мире позволяет утверждать, что это наиболее эффективная (из существующих) технология энергообеспечения для наибольшей части потенциальных потребителей. В Нидерландах, Италии, Дании, Австрии, Финляндии доля когенерации в общем объёме произведённой энергии уже сейчас свыше 20% и этот показатель растёт, также как и в других современных странах. Важнейшими ее чертами следует признать высочайшую эффективность использования топлива, более чем удовлетворительные экологические параметры, а также автономность систем когенерации. Комбинированное производство электрической и тепловой энергии - это уникальная концепция, сочетающая преимущество когенерации, распределенной энергетики и оптимизации энергопотребления.

В Узбекистане энергетическое оборудование централизованных систем, дающих тепловую и электрическую энергию, выработало свой ресурс, технически устарело и требует незамедлительного обновления. Опыт последних лет обнажил недостатки централизованных систем, которые при передаче электроэнергии и тепла горячей воды сопровождаются, соответственно, 10% и 30% потерями.

Главным фактором, заставляющим переходить на альтернативные средства снабжения теплом и электроэнергией, является изношенность тепло- и электросетей, а также низкое качество электроэнергии. Этой альтернативой стали когенерационные установки малой мощности, так называемые мини-ТЭЦ, способные обеспечить тепловой и электрической энергией отдельные здания или предприятия.

Различают когенерационные системы на базе газотурбинных и газопоршневых установок, микротурбин. Реже используются двигатели, работающие на дизельном топливе. Еще одним критерием классификации может служить вид топлива. Дело в том, что происхождение газа бывает разным. Среди прочих особо перспективными считаются шахтный метан, биогаз и свалочный газ.

Газотурбинные установки можно использовать во многих отраслях народного хозяйства, но основные сегменты потребления - это все же нефте- и газодобывающая сферы, металлургическая промышлен-ность, а также энергетика.

Микротурбинные установки работают по тому же принципу, что и ГТУ, но имеют меньшие размеры и, соответственно, мощность. Также отличительной чертой когенерационных установок на базе микротурбин является компактность конструкции, что дает несомненное преимущество при реализации проектов в ограниченном пространстве, например, в зданиях.

Газопоршневые установки (ГПУ) не нуждаются в особом представлении. Это агрегаты, работающие от двигателей внутреннего сгорания, топливом для которых служит газ. Фактически это аналог дизель-генераторных электростанций, которые, кстати, также можно переделать под данный вид топлива.

Самыми востребованными агрегатами для построения когенерационных систем стали газопоршневые установки. Они завоевали популярность прежде всего за счет относительной простоты обслуживания и легкости управления, более низкой стоимости и более высокого показателя полного КПД (сумма электрического и теплового КПД).

С целью эффективного использования энергии, можно значительно уменьшить общее ее потребление путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла), и при этом большая часть тепла может быть утилизирована и использована для отопления, горячего водоснабжения или технологических нужд. Это повышает суммарную эффективность с 50-60 % для электростанции и котельных до 90% в системах когенерации.

В качестве топлива для таких когенерационных установок может использоваться природный газ, пропан, биогаз, попутный нефтяной газ, газ сточных вод и др. Производство собственной энергии позволяет не зависеть от теплоэнергетических компаний и существенно сократить собственные затраты на энергоносители.

Внедрение биогазовых установок в сельской местности позволит использовать биогаз не только для работы бытовых приборов, но и для выработки электричества и тепловой энергии при помощи когенерационных установок.

В настоящее время в мире биогаз применяется, в основном, для комбинированной выработки электричества и тепла в когенерационных установках. Для этого газовую смесь сушат, подвергают сероочистке и затем подают в газопоршневой двигатель, который приводит во вращение генератор. Произведенный таким образом электрический ток поступает в сеть. Тепло из системы охлаждения двигателя и выхлопных газов отводится посредством теплоносителя для дальнейшего использования. Часть этого тепла (15-30%) необходимо для отопления ферментера, так как бактериальные штаммы отвечающие за разложение биомассы наиболее продуктивны при температурах 37 °С (мезофильные) или 55 °С (термофильные). Остальное тепло может быть использованно различными потребителями. Наиболее эффективны установки с круглогодичным использованием тепла.

Производство электрической и тепловой энергии в установках на базе двигателя внутренного сгорания - наиболее распространный способ извлечения выгоды от биогазовой станции. Электроэнергия может круглогодично использоваться как собственых нужд, так и для подачи в сеть.

Из 1 м3 биогаза вырабатывается одновременно 2,4 кВтч электрической +3,2 кВтч тепловой энергии.

Условия для использования в биогазовых генераторных установках

1. Температура натурального газа не должна превышать 40°C, когда дистанция между газом и давлением регулируемого клапана для всасывания воздуха составляет менее 1м.

2. Диапазон давления данной биогазовой генераторной установки должен находится в промежутке 3кПа~10кПа и колебание частоты не должно превышать 1кПа/мин.

3. Состав метана в биогазе не должен быть ниже, чем 45% и колебание частоты не должно превышать 2%/мин.

4. Состав H2S не должен превышать 200млгр/Нм3 и состав NH3 не должен превышать 20млгр/Нм3.

5. Степень структурированности смеси не должна превышать 5µm и состав смеси не должен превышать 30млгр/Нм3.

6. Состав воды в биогазе, используемый в данной биогазовой генераторной установки, не превышает 40гр/Нм3.

Газы, которые не превышают данной кондиции, в биогазовой генераторной установке не должны быть использованы, только после соответствующей регуляции биогазовой генераторной установки согласно специфическим условиям, давлению, температуре и пр.

Преимущества когенерационных установок по сравнению с аналогами:

- замены масла не 500, а 2000 моточасов,

- высокий эл. КПД до 40 %, сумм.КПД эл.+тепло до 90%,

- высшая надежность.

Для рентабельности биогазовой установки решающим фактором является КПД при выработке электроэнергии. 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%.

Литература

1.Газотурбинные электростанции для автономных энергетических систем, «Энергетика и промышленность России» №9, сентябрь 2004 г

2.Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Мамонов А.М. Автономные когенерационные установки (мини-ТЭЦ) модульного типа: Известия академии инженерных наук им. А.М.Прохорова, том 15. – М. – Н.Новгород, 2005. – С.280-289.

3.Мамонов А.М. Концепция применения мини-ТЭЦ в системах энергоснабжения. // V Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки»: Материалы докладов. – Н.Новгород, НГТУ, 2006. – С.64-65.