Пример теплоэнергетической установки (2.8 МВт) на топливных элементах (карбонатные топливные элементы)

Стационарная теплоэнергетическая установка на основе карбонатных топливных элементов вырабатывает высококачественную ультрачистую электроэнергию с 47% КПД 24 часа 7 дней в неделю. Предназначенная для коммерческого и промышленного использования, установка обеспечивает легкую транспортировку, бесшумную и надежную работу, легкую планировку производственной площадки.

Теплоэнергетические установки на карбонатных топливных элементах идеально подходят для широкого спектра рынков и сфер применения, охватывая промышленных и коммунальных потребителей. Они могут вырабатывать рациональную, надежную, экономическую энергию там, где это необходимо, - без выбросов, наносящих вред окружающей среде. Используя модульную конфигурацию, теплоэнергетические установки на карбонатных топливных элементах производят надежную энергию на месте, соответствующую установленным требованиям от 0,3 МВт до более 30 МВт в местах использования нескольких модулей. Свыше 60 установок на карбонатных топливных элементах работают в мире. Они зарекомендовали себя на практике, производя надежную и экономичную энергию.

Теплоэнергетические установки на карбонатных топливных элементах используют технологию, которая работает при высоких температурах и позволяет использовать природный газ без внешней системы риформинга. Риформинг углеводородного топлива в водород происходит непосредственно в батареях топливных элементов. Непосредственный риформинг газообразного топлива внутри батареи топливных элементов представляет собой менее сложный процесс, что делает его менее дорогостоящим по сравнению с другими типами топливных элементов с более низкими рабочими температурами, которые должны осуществлять внешний риформинг топлива во внешних установках.

Еще одним преимуществом высокотемпературных топливных элементов является то, что они производят высококачественное отработавшее тепло для производства горячей воды и пара.

Некоторые характеристики и преимущества теплоэнергетических установок на карбонатных топливных элементах:

• Рациональность: Производится больше электрической энергии при использовании меньшего количества топлива с высоким КПД 47%. Данный тип установок имеет наилучший КПД в классе своего размера.
• Экологичность: В атмосферу выделяется небольшое количество CO2 и практически равное нулю количество загрязняющих веществ, что позволяет располагать установки в тех регионах, где ограничения выбросов запрещают использовать традиционные технологии производства энергии.
• Бесшумность: Установки работают практически незаметно, что делает их пригодными для использования почти во всех местах.
• Надежность: Конструкция установок обеспечивает высокий уровень надежности и длительный срок службы в практически необслуживаемом режиме.
• Экономия топлива: Установки производит больше электроэнергии, чем другие системы распределенного производства энергии при таких же затратах топлива и представляет дополнительную ценность при использовании в комбинированном производстве электроэнергии и тепла.
• Простота: Мониторинг системы топливных элементов в режиме реального времени посредством Интернета или других систем телекоммуникации.
• Универсальность: Установки работают на широком ассортименте видов топлива для использования в широком диапазоне сфер применения. Их конструкция позволяет осуществить установку в ряде мест, включая промышленные, коммерческие и коммунальные объекты. Модульная конструкция позволяет соединять между собой несколько блоков для увеличения в разы выходной мощности.
• Комбинированное производство: Комбинированное производство электроэнергии и тепла, которое можно использовать для производства горячей воды, пара высокого давления или охлаждения с абсорбционными холодильниками.

1.1. Конструкция теплоэнергетической установки. Блоки топливных элементов

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах способна производить высококачественную электроэнергию, используя в качестве топлива природный газ и целый ряд других промышленных газов с высоким содержанием метана. Конструкция установки предполагает использование природного газа в качестве источника топлива. Установка состоит из нескольких блоков:

• Механический блок (МБ): состоит из трех различных систем: система обессеривания, система поддержания основного процесса и система обработки воды. Системы механического блока подают чистый воздух, очищают и нагревают топливо и воду, а также включают систему контроля за работой установки.
• Электрический блок (ЭБ): состоит из четырех секций: двух инвертеров и двух трансформаторов. Подключение к сети требует дополнительного распределительного устройства, которое либо предоставляется пользователем, либо поставляется изготовителем по отдельному заказу. ЭБ преобразует энергию постоянного тока топливного элемента в энергию переменного тока пользовательской категории.
• Блоки топливных элементов (БТЭ): Установка включает два БТЭ. Каждый блок выполняет электрохимическое преобразование непрерывного потока топлива в электроэнергию постоянного тока. Блок содержит четыре батареи топливных элементов. Каждая батарея содержит сборочный узел электрохимических элементов, который производит энергию постоянного тока. Подобно большой батарее каждая из четырех батарей состоит примерно из 400 отдельных топливных элементов, скрепленных с трубопроводами внутри изолированного контейнера.

Для производства электричества топливным элементам необходимо горячее увлажненное топливо и горячий воздух. В механическом блоке вода и природный газ проходят обработку для удаления серы и других примесей. Затем очищенное топливо и дистиллированная вода одновременно вводятся в увлажнитель топлива, в котором топливо нагревается и увлажняется. Затем топливо отводится в резервуар для предварительного преобразования, где высшие углеводороды преобразуются в метан для предотвращения отложения углерода в батареях топливных элементов. Газ, выходящий из предварительного преобразователя, отводится к 4-батарейным блокам топливных элементов, где индивидуальные внутренние преобразующие топливные элементы преобразуют химическую энергию углеводородов в топливе в электричество постоянного тока и тепло.

1.2. Режимы работы

Установка разработана для работы без надзора и оснащена функцией локального и дистанционного оперативного управления и контроля. Контроль оператора необходим для первого ввода в эксплуатацию, полного нагревания и полного охлаждения. Вновь включить установку из режима минимального энергопотребления можно дистанционно.

Установка имеет панель управления, на которой отображается базовая информация об эксплуатации и вводимые оператором величины для выбора желаемого уровня выхода режима работы.

1.3. Срок службы энергетической установки на топливных элементах

Конструкция установки предполагает ожидаемый срок службы свыше 20 лет при условии должного профилактического техобслуживания и замены типичных компонентов. К ним относятся компоненты механического блока, но не относятся блоки топливных элементов. Модули батарей топливных элементов, поставляемые вместе с установкой, будут работать на протяжении пяти лет, по прошествии этого времени выходная мощность и КПД снизятся на 10%. Снижение выходной мощности учтено в контрольном программном обеспечении установки. Максимальная допустимая номинальная выходная мощность каждые 6 месяцев сокращается на 1,11%.

В результате уменьшения мощности и КПД теплопроизводительность (энергия, доступная для утилизации тепла) увеличится примерно на 9% с начала эксплуатации до конца эксплуатации. Общий выход энергии системы, по существу, остается постоянным.

1.4. Используемые ресурсы

Для теплоэнергетической установки необходимо обеспечить давление топлива 1,0-1,4 бар на впускном отверстии в установку (вниз по направлению от всего оборудования, поставляемого заказчиком, такого как клапаны, датчики и т.д.). Давление должно оставаться в пределах установленного диапазона во время всех режимов эксплуатации установки и при всех скоростях расхода топлива. Установка потребляет около 10,2 Нм³/мин при работе на полной выходной мощности на природном газе с теплотой сгорания 38 МДж/м³.

Однако потребление топлива может сильно различаться в зависимости от режима эксплуатации и/или выходной мощности. Например, при работе установки в режиме горячего резерва на природном газе расход топлива составляет около 4,5 Нм3/мин.

Встроенная система обработки воды обеспечивает высокочистую воду для батареи топливных элементов. Эта система, включает в себя фильтры предварительной обработки, систему впрыска антискалянта, установку обратного осмоса, систему конденсатоочистки с электрическим обессоливанием и резервуар для хранения. Эта система позволяет установке работать на широком спектре источников воды, включая большинство источников воды для коммунальных нужд, а также некоторые источники воды из скважины и поверхностные источники воды.

Для установки необходимо постоянное давление воды 3,8-4,8 бар на входе в установку (в нисходящем направлении от всего предоставляемого потребителем оборудования, такого как устройство для предотвращения обратного потока, клапаны и т.д.). Давление должно оставаться в заданном диапазоне значений во время всех режимов работы установки и при всех скоростях потока воды. Во время работы на полной мощности среднее потребление воды установкой составляет около 49 м³ в сутки, выброс воды составляет около 25 м³ в сутки. Эти показатели могут отличаться в зависимости от качества ввода подаваемой воды. Установка потребляет воду только во время наполнения резервуара для хранения. Когда резервуар для хранения наполнен, установка не потребляет воду, кроме случаев обратной промывки системы.

Во время наполнения резервуара установка обычно потребляет около 45 литров в минуту. В это время осуществляется выброс воды из установки со скоростью около 23 литров в минуту. Периодически установкой может осуществляться обратная промывка или возобновление с целью пополнения запасов некоторых компонентов обработки воды. Во время процесса обратной промывки установка может потреблять и выбрасывать до 114 литров в минуту. На нижеприведенном графике показан типичный профиль потребления воды установкой на протяжении 24 часов.

Средний выброс отработанной воды из установки будет содержать примеси, содержащиеся в воде, подаваемой на установку, с коэффициентом концентрации, зависящим от качества входящей воды. Исключением из данного правила является то, что загрязняющие вещества, поглощенные фильтром с активированным углем (хлор, органические вещества), по существу, удаляются из потока отработанной воды. В этом потоке отработанной воды будет содержаться незначительное количество антискалянта, который был добавлен для предотвращения образования твердого осадка в системе обратного осмоса. Выбросы обратного потока воды состоят из подаваемой воды со всеми взвешенными веществами, удаленными из предварительно обработанной воды. Дренирующая способность рабочего участка должна быть соответствующей для обработки общего потока выброса воды, включая скорость выброса до 114 л/мин во время периодической обратной промывки. Вода, выбрасываемая из электростанции, находится под давлением, не подается самотеком. Необходимо соблюдать требования местных норм и правил в отношении сточных трубопроводов, находящихся под давлением.

Азот используется установкой во время пуска и выключения для удаления топлива из системы топлива в целях безопасности. Стандартная установка разработана для использования с резервуаром жидкого наливного азота емкостью 1000 литров, который предоставляется заказчиком. Каждой установке необходим поток не менее 0,227 Нм³/мин. При использовании подачи наливного топлива необходимо минимальное давление 20,7 бар.

Конструкция установки предполагает работу в тех местах, где среднегодовые концентрации взвешенного в воздухе газообразного диоксида серы составляют менее 10 частиц на миллиард по объему, а концентрации газообразных галогенидов, гипохлоритов и галогенов составляют менее 20 частиц на миллиард по объему. Эти взвешенные в воздухе загрязняющие вещества могут отрицательно сказаться на сроке службы батареи топливных элементов. Качество воздуха обычно является важным фактором только в зонах высокого загрязнения, на берегу моря, рядом с бассейнами или вблизи определенного промышленного оборудования и процессов (дизельные генераторы, факелы, другие механизмы/процессы, выделяющие серу). По отдельному заказу установка может комплектоваться воздушным фильтром, если уровень взвешенных в воздухе газообразных загрязняющих веществ превышает установленные требования.

1.5. Рабочие характеристики теплоэнергетической установки на топливных элементах

1.6. Размещение (расположение)

Для установки в стандартной конфигурации необходима ровная поверхность площадью около 16,7 x 18,2 м для оборудования установки плюс дополнительное место для доступа с целью техобслуживания. Эти зоны указаны на рисунке выше. Включение опций продукта может повлиять на размеры плана рабочего участка и требования в отношении доступа с целью техобслуживания установки. Планировка бетонированной площадки должна поддерживать все оборудование установки, но не обязательно должна включать все зоны техобслуживания или пространства между оборудованием. Кроме того, конструкция большей части оборудования делает возможной конструкцию фундамента с точечной нагрузкой (то есть, просверленные железобетонные опоры или опоры из конструкционной стали). Исключение составляет блоки топливных элементов, которые требуют сплошного фундамента.

Вес

2.1. Производство высококачественного электрического тока теплоэнергетической установкой на топливных элементах

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах способна производить высококачественный электрический ток в базовом режиме эксплуатации при сетевых параллельных и независимых операциях. Блок топливных элементов производит ток постоянного напряжения, который конвертируется в ток переменного напряжения посредством блока формирования тока (БФТ). БФТ создает переменный ток путем выработки управляемого компьютером синтезированного тока в виде колебательного сигнала, используя сеть в качестве ориентира. БФТ производит высококачественный электрический ток. Некоторое количество переменного тока, создаваемого БФТ, трансформируется в 480 вольт и затем распределяется на внутренние нагрузки установки. Оставшийся переменный ток трансформируется в напряжение, необходимое конечному пользователю и распределяется по локальной сети, объединяя нагрузки, или прямо в сеть общего назначения со стандартным напряжением в 13,8 кВ. Электрический выходящий поток установки сконфигурирован для поддержания заземленной электрической системы в форме Y в соответствии со стандартом UL-1791. Некоторые нагрузки на оборудование конечных пользователей могут рассматриваться как критические. Такие нагрузки могут быть подключены к функции предохранителя - дополнительной функции установки. Установка будет производить ток для этих нагрузок (и внутренних нагрузок) в случае потери сети. Специфические требования относительно нагрузок, которые можно подключать к функции предохранителя, определены далее в данном документе.

2.2. Типы соединений

Сеть соединенная или сеть параллельная: Это обычный режим работы установки. Прибор подключен к сети, или к центру нагрузки пользователя, который в конечном итоге подсоединен к сети общего пользования. Частота автоматически синхронизируется с частотой сети.

Независимая или обособленная сеть: Установка подает нагрузку напрямую, пока она отсоединена от сети. Устройство генерирует внутренний сигнал частоты и регулирует выход тока в пределах лимитов для удовлетворения требований нагрузки.

Расчетная нагрузка: Это нагрузка, при которой установка обычно работает при операциях с подключенной сетью. Обычно это бывает расчетная нагрузка устройства, но она может быть и меньше, если выход тока лимитирован, например, ограничениями обратной мощности, лимитами подачи топлива или по причине обычного снижения мощности.

Критическая шина заказчика (КШЗ): Это дополнительное оборудование, позволяющее получать выходное соединение от установки, которая продолжает давать нагрузки в случае потери связи с сетью.

Секционный выключатель: Это внешнее соединение установки к сети или распределительной системе заказчика. В случае потери сети, выключатель размыкается, изолируя устройство от сети.

Блок формирования тока: Это отсек установки, который преобразует постоянный ток, производимый стековыми топливными отсеками, в переменный.

2.3. Соответствие теплоэнергетической установки международным требованиям к подключению

Теплоэнергетическая установки спроектирована так, чтобы соответствовать типичным внутренним и международным требованиям к общим подключениям. Стандартные правила к подключениям в основном основываются на соответствии должному уровню качества электрического тока, безопасному соединению с сетью с соответствующими устройствами защиты и автоматическому отсоединению от сети в случае ее потери, повреждения или неисправности. Преобразователь тока оснащен релейной защитой (показано в таблице ниже), что соответствует требованиям стандартов UL/IEEE для защиты неизолированных и сетевых подключений.

Данная защита используется для поддержания средств автоматического отключения от сети общего пользования в случаях, когда напряжение или частота находятся за допустимыми пределами. Релейная защита блока формирования тока не может ограничить обратную мощность, однако это может быть сделано с помощью внешней релейной защиты, поставляемой Заказчику (при необходимости). Теплоэнергетическая установка отвечает строгим требованиям подключений и обычно требует всего лишь сертификации местным инспектором по общим подключениям.

2.4. Подключение к высоковольтным сетям

Теплоэнергетическая установка может быть параллельно с высоковольтной сетью общего назначения подключена к нагрузкам, подключенным к местным сетям. В данном применении установку можно использовать для производства базовой мощности до 2800 КВт. Для работы установки в параллельном режиме имеется множество применений. Это может быть поддержка электросети, электросети с отводом энергии, и электросети с подключением с запретом отвода электроэнергии. При каждом из этих применений теплоэнергетическая установка поддерживает эти нагрузки только при наличии коммунальной энергосети.

Простейшим видом применения с подключением к электросети является поддержка электросети. При этом применении теплоэнергетическая установка просто поставляет электроэнергию в электросеть. Ниже представлена схема, иллюстрирующая такое применение. Не существует отдельной местной шины, которую поддерживает теплоэнергетическая установка. Теплоэнергетическая установка может поддерживать любую базовую нагрузку с выходом мощности до 2800 КВт. В этом случае установку можно использовать для поддержания напряжения электросети посредством производства активной и реактивной мощности. При наличии коммунальной электросети теплоэнергетическая установка только генерирует электроэнергию; при потере электросети она переключится в автономный режим работы (АРР). Режим АРР позволяет установки подавать питание на внутренние потребители и оставаться в готовности для повторного подключения к электросети при ее появлении, но при этом не поставлять энергию в сеть.

Теплоэнергетическая установка производит до 2800 КВт электроэнергии для снижения нагрузочных требований на сеть. Пока теплоэнергетическая установка производит до 2800 КВт параллельно с электросетью, все потребители, подключенные к данной линии передач, будут получать питание как от сети, так и от установки. Если потребности объекта в электроэнергии выше того, что могут предоставить установка, электросеть компенсирует разницу. Если потребности объекта в мощности меньше производимой установки, избыток энергии подается на электросеть. Таким образом, установка обеспечивает максимальную эффективную мощность без ограничений по нагрузке, и коммунальная сеть получает выгоду от снижения нагрузки.

Снижение потребности приносит выгоду энергосистеме и объекту заказчика посредством значительного снижения требований по мощности и пиковым нагрузкам. Из-за избытка мощности от теплоэнергетической установки, направляемого в электросеть, коммунальная электросеть, получает выгоду от наличия источника дополнительной электроэнергии, которую также можно использовать для удовлетворения потребностей соседних потребителей. Ниже представлена схема, иллюстрирующая такое применение.

При некоторых вариантах использования поставка электроэнергии в электросеть не разрешена местной энергетической компанией, либо не является экономически выгодной для заказчика. При использовании установки в такого рода ситуациях, важно знать характеристики потребителя, которого он будет обслуживать, и обеспечить, чтобы потребности объекта ни в коем случае не были менее производительности теплоэнергетической установки. При возникновении возможности подачи электроэнергии в сеть, защитное реле вызовет снижение электроэнергии или переведет установку в режим АРР. Для такого применения нам необходима информация о потребителях заказчика. Преимущество ограничения потребления обеспечивается для всего производства электроэнергии установки, однако электроэнергия не поставляется в коммунальную электросеть.

Теплоэнергетическая установки предназначена для использования в качестве базовой нагрузки источника питания с ограниченными возможностями переходной характеристики и, следовательно, теплоэнергетическая установка лучше всего подходит для применений с длительной мощностью. Распределение нагрузки для целей динамического ограничения пиковых нагрузок пика и других форм изменений интенсивных нагрузок может снизить срок службы установки.

Блок регулирования мощности установки способен обеспечить реактивную мощность на основе киловольт-ампер-реактивной (КВАР) установки до мощности блока преобразования электроэнергии. Это реактивная мощность может быть использована для коррекции коэффициента нагрузки, регулирования напряжения линии, и поддержки электросети. Эта функция также может быть использована только в режиме КВАР, который не требует вклада регулирования постоянного тока в переток электроэнергии от теплоэнергетической установки. Реактивная мощность может быть использована для компенсации нежелательных характеристик потребителей с коэффициентом нагрузки менее единицы, которые могут быть разрешены местной коммунальной электросетью.

2.5. Использование вне независимости от электросети

Следующая схема описывает электростанцию, работающую в независимом от электросети режиме. При таком применении критичные потребители заказчика подключены к установке через критичную шину заказчика (КШЗ). При параллельной работе с электросетью теплоэнергетическая установка также питает некритические нагрузки клиента.

В случае отключения или нарушения электросети, системы распределенного генерирования должны отключиться от коммунальной сети в соответствии с UL 1741 и другими требованиями. Это необходимо для соблюдения требований безопасности коммунальных сетей для работы в автономном режиме работы (АРР), запрещающих системе генерирования тока запитывать линии электропередач при отключении сети. У установки имеется встроенная технология работы в автономном режиме, отвечающая требованиям стандартов ANSI, UL, IEEE, и CSA. При отключении сети, теплоэнергетическая установка на топливных элементах отключается от коммунальных сетей в течение миллисекунд (см. таблицу ниже), но продолжает производство энергии для собственных систем, а также потребителей, подключенных к ее КШЗ.

Такая автономная работа предназначена исключительно для обслуживания потребителей на КШЗ (а также потребителей самой электростанции), не допуская подачи электроэнергии на коммунальную электросеть. После появления и устойчивой работы коммунальной электросети, система преобразования мощности теплоэнергетической установки автоматически синхронизируется и подключается к коммунальной электросети и возвращается к номинальной уставке по нагрузкам, одновременно обеспечивая питание потребителей, подключенных к КШЗ. В случае, если к КШЗ для критического резервного питания потребители не подключены, силовая система теплоэнергетической установки использует автономный режим сохранения питания для своих собственных рабочих потребителей и остается в режиме готовности к повторному подключению к коммунальной сети при повторном появлении в ней питания. Этот режим называется автономным или АРР.

3.1. Энергетический баланс установки. Система рекуперации тепла. Теплофикационная выработка электроэнергии-когенерация

Теплофикационная выработка электроэнергии, также известная как когенерация, является эффективным, чистым, и надежным подходом к выработки электрической и тепловой энергии из топливных элементов. Когенерация передает другим жидкостям тепловую энергию, которая в противном случае теряется. Эта энергия может быть использована для охлаждения или отопления промышленных объектов, районных энергосистем и коммерческих зданий. Когенерация является проверенной технологией, хорошо известной в отрасли на протяжении десятилетий.

Система рекуперации тепла может существенно повысить общую эффективность электростанции, и обеспечить значительный экономический эффект, улучшающий экономическую эффективность проекта. Теплоэнергетическая установка сконфигурирована с системой рекуперации тепла конденсационного типа и теоретически может достичь общую эффективности низкой теплотворной способности системы более 90%. Практически, более типична эффективность 65% до 80%. Достигаемая эффективность зависит от тепловых требований объекта (cм. диаграмму энергетического баланса системы приведена на следующей странице). Экономический эффект от системы совместного производства тепла и электроэнергии для установки может быть оценен в рублях за кВт/ч при известных ценах на природный газ. Эта выгода получается от избегания затрат на топливо для бойлерной системы, которая поддерживает данное применение отопления. Помимо экономической выгоды, имеется также экологическая выгода от снижения выбросов объекта в результате уменьшения работы бойлера. Некоторые примеры приложений теплоэнергетической установки: отопление зданий, бытовое и промышленное производство горячей воды, производство пара, нагрев воды в бассейне, и охлаждение воды для охлаждения и кондиционирования воздуха. Каждый пример применения будет рассмотрен более подробно позже в данном разделе.

3.2. Эксплуатационные характеристики. Концентрации выхлопных газов на карбонатных топливных элементах

Установка обеспечивает высокую степень излишков тепла в виде влажных дымовых газов при температуре приблизительно 370°C и скорости потока 16600 кг/ч при полной мощности. Состав выхлопных газов несколько меняется в зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды объекта. В таблице приведены типичные концентрации составляющих выхлопных газов теплоэнергетической установки на карбонатных топливных элементах.

Количество тепла, которое можно извлечь из выхлопных газов, зависит от метода рекуперации. Мы обычно указываем доступное тепло основываясь на использовании системы рекуперации тепла, которая охлаждает выхлопные газы электростанции до 121°C. Охлаждение выхлопных газов до этой температуры позволяет выбрать различные варианты экономичного оборудования рекуперации тепла. Исходя из этого, тепло, имеющееся для рекуперации тепла в начале срока эксплуатации (НСЭ), работающей с номинальной мощностью 2800 кВт составляет 1,12 Гкал/час. К концу срока эксплуатации (КСЭ) наблюдается 9%-ное увеличение количества энергии для рекуперации тепла из-за уменьшения мощности и эффективности топливных элементов.

Дополнительное тепло получается от охлаждения выхлопных газов ниже точки росы выхлопных газов около 60°C. Значительная дополнительная скрытая энергия тепла может быть получена при конденсации воды из выхлопных газов. В следующей таблице приведены оценки тепловой энергии для рекуперации тепла в зависимости от температуры, до которой охлаждаются выхлопные газы установки. Несколько установок настоящее время восстанавливают тепло таким образом, производя пар и горячую воду в системах, которые являются термически эффективными. Конденсат в дымоходе является кислотным из-за присутствия углекислого газа, присутствующего в потоке выхлопных газов и в системе выхлопа (в том числе воздуховодов / трубопроводов) рекомендуется использование деталей из высококачественной стали. Кислотность конденсата, вероятно, будет менее 5,5 условных единиц (УЕ) и может потребоваться корректировка рН до выброса.

3.3. Конструктивные особенности

Одним из важных конструктивных соображений является противодавление выхлопных газов; производительность электростанции будет снижена при противодавлении в выхлопной трубе более 63,5 мм вод. ст. Противодавление не может превышать 127 мм вод. ст.

Ни при каких обстоятельствах оборудование рекуперации тепла не должно образовывать вакуум в выхлопном тракте установки. При некоторых применениях рекуперации тепла используются переключательные клапаны, для подачи выхлопных газов в обход блока рекуперации тепла, когда рекуперация тепла не требуется. Важно также, что эксплуатация перепускного клапана не создает противодавления выше 63,5 мм вод. ст., так как производительность установки будет сокращена.

Для комбинированных установок, где выхлопные газы направляются в общий канал, средства для изоляции отдельных выхлопных соединений должны быть включены так, чтобы обслуживание одного устройства не требовало закрытия других. Запорный клапан должен быть мощным запорным краном и может управляться вручную.

Еще одним важным конструктивным соображением является температура выхлопных газов. При номинальной нагрузке, силовая температура выхлопных газов составляет примерно 371°C. Однако, при различных условиях эксплуатации температура выхлопных газов может достигать 510°C. Кроме того, из-за теплового расширения выхлопной фланец можно увеличить на 2.5 см в вертикальном направлении.

Для обеспечения рекуперации тепла, вода или другая среда должны протекать по возможности с минимальным количеством ограничений. Теплообменники и водопроводы создают перепад давления из-за трения, поэтому насос должен быть такого размера, чтобы преодолеть эти потери на трение в системе. Клапаны сброса давления должны быть установлены на входе и выходе из любой водопроводной системы теплообменника для обеспечения безопасного выброса воды или других веществ при превышении давления в системе.

При разработке любой системы рекуперации тепла также должна учитываться окружающая температура. Оборудование рекуперации тепла, предназначенное для использования в местах, где возможны температуры ниже точки замерзания, требует дополнительного рассмотрения. Для гарантии того, что оборудование рекуперации тепла может работать в этих окружающих условиях, некоторые производители оборудования для рекуперации тепла предлагают для своего оборудования пакеты для холодной погоды.

Система рекуперации тепла, включая водо/паропроводы должна также включать приспособления для должного дренажа. Оборудование для рекуперации тепла, работающего на смеси гликоля и воды, как правило, используется там, где возможно постоянная температура ниже нуля и частое осушение системы нецелесообразно. Для таких приложений используется вторичный теплообменник внутри объекта конечных пользователей (в месте врезки) для передачи тепла от гликоле-водяной системы в систему клиента.

Выхлопные газы, выходящие из системы рекуперации тепла, по-прежнему горячие и могут привести к травмам персонала. Планы объекта должны учитывать дисперсию выхлопных газов на безопасном расстоянии от окон, спускных каналов, силовой установки системы забора воздуха, и пешеходных дорожек.

3.4. Применения для рекуперации тепла

Типичное применение рекуперации тепла для теплоэнергетической установки - нагрев горячей воды. Нагретая вода может быть использована для отопления здания, промышленных процессов, отопления бассейнов, подогрева подаваемой в бойлер воды и отопления для объектов очистки сточных вод. Это применение описано на приведенной ниже схеме:

В этом приложении выхлопные газы установки направляются на оборудование рекуперации тепла предназначенное для нагрева воды. Водяной контур конечного пользователя изолирован от водяного контура рекуперации тепла с помощью теплообменника. Восстановленная тепловая энергия будет отличаться от простой водяной системы отопления из-за потери эффективности и из-за наличия дополнительного теплообменника.

Выхлопные газы теплоэнергетической установки могут быть использованы для создания насыщенного пара. Температура насыщения пара при давлении 17 бар приблизительно составляет 208°C, что приводит к уменьшению разницы температур для передачи тепла. Например, при генерации пара при давлении 17 бар по сравнению с паром при давлении 1 бар, количество тепла снижается более чем на 50%. Таким образом, производство пара более низкого давления более практично, чем производство пара более высокого давления. В таблице на следующей странице приведены оценки производства пара для электростанции установки с парогенератором рекуперации тепла (котел-утилизатор). Пар может быть использован для отопления зданий, промышленных процессов, и нагревания промывочного раствора для отопления очистных сооружений. Ниже приводится схема приложения для производства пара.

В этом приложении выхлопные газы теплоэнергетической установки направляются на парогенератор от рекуперации тепла, который непосредственно производит пар. Как правило, пар, сгенерированный установкой, добавляется к пару, производимому в бойлерах конечных пользователей, тем самым снижая общее потребление топлива и выбросы котельной установки. Есть несколько производителей, которые предлагают генераторы коммерческого класса для рекуперации тепла пара, имеющие размер в соответствии с применением теплоэнергетической установки. Проверьте местные нормы и стандарты, касающиеся эксплуатации котла. Для котлов-утилизаторов приложений может потребоваться наличие оператора котлов и проведение периодических проверок.

Отведенное от установки тепло также может быть использовано с абсорбционным охладителем для обеспечения охлаждения. Основной цикл абсорбционного охлаждения и электрического охладителя одинаков. Обе системы используют жидкий хладагент низкой температуры, который поглощает тепло от жидкости для охлаждения и преобразует ее в пар. Пары хладагента затем сжимаются до более высокого давления, превращаются обратно в жидкость, выделяя тепло во внешнюю среду, а затем расширяется до более низкого давления смеси жидкости и пара, которая возвращается в испаритель и цикл повторяется.

Абсорбционный охладитель отличается от электрического охладителя тем, что в нем вместо электрической энергии для сжатия паров хладагента используется поглощение тепла. Абсорбционные охладители используются для образования холодной воды, которая может быть использована для систем кондиционирования и охлаждения воздуха.

При применении абсорбционного охладителя выхлопные газы теплоэнергетической установки направляются в абсорбционный охладитель со сжиганием выхлопных газов. Абсорбционный охладитель производит охлажденную воду в соответствии со спецификациями конечного пользователя. Установка с абсорбционным охладителем может производить до 250 тонн при полной номинальной мощности. Ниже приводится схема приложения с применением абсорбционного охладителя.

Есть производители, которые предлагают абсорбционные охладители коммерческого класса со сжиганием выхлопных газов размера, соответствующего применению теплоэнергетической установки. Вода или пар в абсорбционных охладителях со сжиганием выхлопных газов могут также быть объединены с установкой, однако требуется дополнительный блок рекуперации тепла для производства входящей горячей воды (как показано выше) или пара для этого приложения.

Теплоэнергетические установки обеспечивают гибкость при работе на различном топливе: природный газ, сжиженный природный газ (СПГ), биогаз (все с внешними устройствами обработки топлива). В дополнение к этим видам топлива, испытывались установки на синтезированном газе, шахтном метане и пропане (все с внешними устройствами обработки топлива). Свалочный газ также можно рассматривать при условии наличия системы обработки, обрабатывающей этот газ. В зависимости от состава, топливо, кроме природного газа, может вызвать уменьшение мощности установки.

4.1. Биогаз для использования в теплоэнергетических установках

Теплоэнергетические установки могут эффективно использовать биогаз, при оснащении соответствующим оборудованием его обработки. Биогаз является побочным продуктом анаэробного сбраживания, процесса, в котором используются бактерии для переваривания биомассы в бескислородной среде. Несколько различных типов бактерий совместно постепенно нарушают сложные органические отходы, в результате чего производится метан и СО₂. Имеется много типов биогаза, которые заслуживают рассмотрения в качестве топлива. Анаэробное сбраживание используется для переработки всех видов биомассы, в том числе осадков сточных вод, навоза, остатков пищевых продуктов, побочных продуктов при производстве напитков, органических веществ, найденных на свалке.

Наиболее распространенными источниками биогаза использующимися для комбинированного производства тепла и электроэнергии, являются очистные сооружения из-за объема газа, добываемого на этих объектах. Муниципальные сточные воды содержат органические твердые вещества биомассы, и многие заводы по очистке сточных вод используют анаэробное сбраживания для сокращения объема этих твердых тел. Анаэробное сбраживание стабилизирует осадок сточных вод и уничтожает патогенные микроорганизмы. Сбраживание осадка обычно производит биогаз, содержащий 50-70% метана и 30-50% углекислого газа, с содержанием энергии около 4,4-6,2 МКал/м³.

Этот побочный газ продукт быть полезным источником энергии. В действительности, некоторые станции очистки сточных вод сжигают газ для тепла для поддержания температуры биомассы в анаэробных реакторах, а также для отопления зданий. Однако, биогаз также может быть использован в качестве эффективного топлива в установке для производства электроэнергии без производства NOx, связанного со сжиганием топлива. Электроэнергию можно использовать для питания внутренних операций объекта, в то время как отходы тепла топливных элементов могут быть восстановлены и использованы для обогрева реакторов и промышленных предприятий, таким образом повышая общую эффективность системы.

В дополнение к двуокиси углерода и метана, биогаз также содержит малое количество других компонентов, некоторые из которых могут иметь пагубные последствия для электростанции на установке, в том числе: сероводород, галогенангидриды, азот, водород, метилмеркаптаны, силоксаны, и кислород. Присутствие серосодержащих соединений, таких как сероводород и метилмеркаптан является поводом для беспокойства, поскольку сера ядовита для топливных элементов. Если ее эффективно не удалить, она может привести к необратимым повреждениям. Топливная система установки предназначена для снижения содержания серы до уровня обычно встречающегося в стандартном природном газе. Однако, биогаз может иметь гораздо более высокий уровень содержания серы. Перед использованием в качестве топлива, необходимо удалить чрезмерное содержание соединений серы.

Силоксаны - это группа антропогенных органических соединений, содержащих кремний, кислород и метильные группы. Они широко используются для продуктов личной гигиены, таких как дезодоранты, зубные пасты, препараты для ухода за кожей, кондиционеры для волос и т.д. Силоксаны попадают в очистные сооружения и свалки через промышленные и бытовые сбросы. Анализ биогаза от станции очистки сточных вод показывает, что силоксаны обычно присутствуют. Они являются нежелательными загрязняющими веществами для теплоэнергетической установки на топливных элементах, поскольку при высоких температурах они реагируют с кислородом с образованием полимера кремния, белого порошкообразного вещества. Эти частицы могут ухудшить производительность и привести к повреждению оборудования и катализаторов.

Также в процессе разработки системы очистки внешнего биогаза должны быть рассмотрены другие загрязняющие вещества. Уровни загрязнения биогаза будут определять тип и количество очистных веществ, используемых для данного применения. Использование биогаза с общим содержанием серы или силоксанов выше, чем указано, приведет к увеличению затрат на техническое обслуживание за счет более частой замены очистного вещества или необходимости наличия внешних систем очистки биогаза. Наличие других загрязнителей, таких как хлориды (органические и неорганические) может потребовать специальных средств очистки для обеспечения достаточной обработки перед использованием в качестве топлива. Бензол и другие ароматические органические летучие вещества, если они присутствуют в биогазе, будут отловлены чистящим веществом. Это может классифицировать чистящее вещество как опасные отходы, требующие специальной обработки и утилизации.

Кислород часто присутствует в биогазе на уровне до 1%. При попадании в систему, кислород может повредить части системы топливных элементов. Катализатор дезоксигенации прилагается к установке для использования с топливом, содержащим кислород. Кислород вступает в реакцию с метаном в присутствии катализатора. Так как эта реакция потребляет некоторое количество топлива, это уменьшает общую эффективность, а также делает топливо более разбавленным. Снижение эффективности от 2 до 3 процентов кислорода будет составлять от 1 до 1,5 процентов. Система с эффективностью 47 процентов становится эффективной от 45,5 до 46 процентов.

Биогаз производится из водосодержащих отходов и, как правило, насыщен водой. Любое охлаждение газа может привести к конденсации из газа жидкой воды. Это - повод для беспокойства, так как наличие конденсированной воды в топливопроводах может вызвать блокировку подачи топлива, а также нарушить работу приборов топливной системы. До использования топливных элементах биогаз необходимо обезводить. В целях обеспечения того, чтобы жидкая вода не конденсировалась из биогаза в любом месте топливной системы электростанции, газ должен иметь следующие характеристики:

• Только для применения биогаза, точка росы газа при давлении подачи биогаза должна быть не выше самой низкой ежегодной температуры на объекте.
• Для смешивания топлива газ должен быть поставлен при температуре от 15°F выше его точки росы при давлении подачи биогаза.

Для применения биогаза в холодном климате, может потребоваться проверка системы очистки биогаза тепловизором для предотвращения конденсации влаги в топливной системе. Приложения для холодного климата необходимо оценивать на основе каждого конкретного случая.

Теплоэнергетическая установка предназначена для поддержки максимальной выработки электроэнергии из топлива с содержанием метана 70% или выше (при условии баланса СО₂ и отсутствия кислорода в топливе) Более разбавленное топливо не позволит достичь номинальной мощности 2800 кВт. Если используется топливный газ с содержанием метана между 50% и 60%, установка может работать, однако, выходная мощность будет снижена. Топливные газы с концентрацией метана ниже 50% представляют собой область, в которой очень мало опыта эксплуатации. При содержании метана ниже 55%, топливо может быть тяжелее воздуха, что может потребовать оценки конфигурации рельефа вентиляции. Эффективность воздействия, связанная с низкой концентрации реагентов начнет ограничивать выход при нелинейной скорости. Отношение мощности к концентрации метана приводится в этой кривой:

Изменение величины нагрева топлива более чем на ±1% будет влиять на производительность установки.

Изменение поставок топлива и низкое содержание метана можно компенсировать путем небольшого уменьшения мощности на выходе установки или более эффективно путем включения дополнительной системы смешивания топлива. Для теплоэнергетических установок, работающих на биогазе, были включены дополнительные системы смешивания топлива. Система смешивания топлива позволяет смешивать разбавленного и/или переменного топлива с запасом более стабильного природного газа с более высоким содержанием метана для создания смеси топлива, которая более стабильна, надежна и менее разбавлена.

Биогаз, как правило, имеет очень низкое давление, которое, как правило, измеряется в мм вод. ст. Спецификация топлива требует, чтобы на теплоэнергетическую установку поставлялся газ при давлении на входе 1,0-1,4 бар. Биогаз необходимо сжать до этого давления для того, чтобы безопасно и эффективно использовать его в качестве топлива.

Хотя в некоторых местах уже есть оборудование для очистки биогаза, обычно поставляемый сырой биогаз, как правило, выходит за пределы загрязнения. Использование этих газов в качестве источника топлива для установок, как правило, может быть решено с низкими затратами путем включения оборудования для очистки биогаза, предоставленного заказчиком.

Рекомендуется, чтобы система очистки биогаза (компрессор, органы управления и т.д.) запитывалась независимо от электросети. Это позволит избежать полного отключения во время отключений электросети. Если поставки биогаза в качестве топлива сохраняется в течение отключения муниципальной электросети, устройство переходит в автономный режим горячего резервирования, ожидая восстановления электросети. Аппаратура для очистки биогаза может быть запитана от КШЗ, при условии что электрическая нагрузка отвечает требованиям, указанным этом документе.

Хотя состав биогаза может несколько отличаться, основной процесс подготовки газа остается довольно стандартным. Наиболее распространенный подход к обработке содержит четыре основных этапа: удаление серы, повышение давления газа, удаление воды из газа, и удаление из газа других загрязнений (таких как силоксаны). Серу выгодно удалять до сжатия, для уменьшения ее влияние на срок службы оборудования для сжатия газа. Сжатие необходимо для повышения давления биогаза, так как оно почти всегда ниже, чем давление, требуемое для установки.

После сжатия требуется осушка газа для удаления насколько можно больше воды для уменьшения возможности конденсации в топливной системе установки. Этого можно достичь, охлаждая газ до низких температур и конденсируя влагу из биогаза. Охлаждение биогаза не следует проводить непосредственно с помощью контуров с хладагентом. Утечка хладагента в биогаз обеспечит наличие в нем загрязняющих веществ, которые могут иметь пагубные последствия для батарей теплоэнергетических установок. Для охлаждения биогаза необходимо использовать контуры с водой или смесью воды и гликоля с дополнительным теплообменником. Последним крупным шагом в процессе является удаление других загрязнителей, таких как силоксаны, путем пропускания газа через сосуд, содержащий вещество для поглощения силоксанов. Это самый распространенный подход. В зависимости от состава газа и размеров системы могут потребоваться другие системы, например, на основе систем жидкого поглощения или адсорбции со сдвигом давления.

При использовании биогаза, для пуска установки необходим природный газ. Установки на биогазе требуют наличия опции смешивания топлива. Опция смешивания топлива представляет собой встроенное решение, где обрабатываемый биогаз подается на дополнительное подключение для смешивания топлива. Смешивание газа производится ниже бортовой системы очистки топлива, поэтому требуется некоторая дополнительная очистка газа. Эта дополнительная очистка должна проводиться в агрегате очистки биогаза (предоставляется внешними поставщиками) На схеме ниже приведена конфигурация системы на биогазе с использованием смешивания топлива.

4.2. Газ в период пикового потребления

В пиковые периоды спроса природного газа (часто в непривычно холодные дни в отопительный сезон) некоторые предприятия снабжения природного газа увеличивают поставки трубопроводного газа с помощью газа из других источников. Эти другие баллонные газы называются газами пикового потребления (ГПП). Подразумевается, что они взаимозаменяемы с точки зрения эксплуатационной характеристики, с трубопроводным природным газом в условиях применения стандартной горелки (т.е. водонагреватели на бытовом газе или газовые плиты). Общая мера взаимозаменяемости - это показатель Уобба, функция и теплоты сгорания газа и относительной плотности.

ГПП может быть повторно выпаренный сжиженный природный газ или смесь газов. Обычно чистый выпаренный природный газ используется в качестве ГПП. Однако, жидкий пропан также может быть смешан с воздухом для выработки смеси ГПП с показателем Уобба, который более равноценно заменяет трубопроводный газ. Альтернативные смеси ГПП – это смеси пропана или бутана и воздуха. Хотя в горелках со стандартным пламенем эти газы пикового потребления могут вести себя так, как повел бы себя природный трубопроводный газ, кислород, содержащийся в воздухе, является проблемой для топливных ячеек, работающих на этих топливах.

Когда газ пикового потребления содержит значительное количество так называемых тяжелых углеводородов (таких, как пропан и бутан), необходимо быть внимательным при подборе материала, абсорбирующего серу. Некоторые вещества абсорбируют не только компоненты, содержащие серу, но также тяжелые углеводороды. Важно, чтобы конечный потребитель сотрудничал с местными поставщиками природного газа, чтобы установить, соответствует ли поставка топливного газа на его установку ограничениям пиковой нагрузки.

Если поставка топливного газа соответствует ограничениям пиковой нагрузки, состав ГПП необходимо определить и сообщить изготовителю установки, чтобы подходящая система абсорбции серы могла быть изготовлена в соответствии с требованиями места производства работ.

Стандартная установка не может работать на ГПП газе без дополнительного оборудования, включающего реакторы для устранения кислорода в требуемых случаях. Установки, имеющие конфигурацию ГПП газа, могут работать в периоды пикового потребления газа, но с меньшим КПД и меньшей выходной мощностью. Технические требования к необходимому дополнительному оборудованию и проектным производственным показателям должны быть рассмотрены в каждом конкретном случае.

• Теплоэнергетическая установка на топливных элементах, состоящая из:
  • МБ – механического блока, включающего обработку топлива (только природный газ) и подогрев, очистку воды и аппаратуру автоматического регулирования
  • ЭБ – электрический блок, включая оборудование для преобразования постоянного тока в переменный
  • БТЭ - блоки топливных элементов
  • Трубная обвязка и изоляция между МБ и БТЭ
  • Лоток для соединительного кабеля и опора для монтажа на месте
  • Детали, поставляющиеся в разобранном виде
• Материалы для первой заправки катализатора
• Пакет документации для заказчика (чертежи, спецификации и инструкции)
• Консультации по установке (как прописано в контракте)
• Наладка, пуско-наладка и первичный запуск
• Стандартная гарантия
• Приемочные испытания
• Местное, государственное и федеральное разрешения
• Доставка оборудования и страховка

Конструкция установки способствует быстрому монтажу на площадке. В первую очередь внимание уделялось тому, чтобы уменьшить размер салазок и обеспечить максимальный доступ к важным частям установки для инспекции и техобслуживания (например, замена катализатора и сорбента, техобслуживание клапанов, замена фильтра и т. д.). Теплоэнергетическая установка поставляется модулями (МБ, ЭБ и БТЭ) плюс части, поставляющиеся в разобранном виде (выхлопная труба, система управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием и т.д.). На площадке заказчика должно быть достаточно места, чтобы грузовая машина могла свободно приехать и уехать.

По прибытии на место установки оборудование обычно устанавливается непосредственно на основание. Затем производится подведение газа, воды и электричества к системе. В это время завершается подсоединение трубной обвязки между МБ и БТЭ.

Установка сконструирована для электрической разводки следующих соединений на территории завода:

• Подача топливного газа
• Подачи муниципальной питьевой воды
• Выброс сточных вод
• Подача азота
• Подсоединение основного питания
• Подсоединение шины электроснабжения критических нагрузок
• Выхлопной патрубок к выводной трубе для опции «Регенерация тепла»
• Выход газообразных продуктов горения в безопасное место (если в помещении)
• Спускное отверстие предохранительного редукционного клапана, ведущее в безопасное место (если в помещении)
• Выход вентиляционных газов в безопасное место (если в помещении)

Установка требует определенных регулярных проверок, общей чистки, основного планово-предупредительного технического обслуживания и замены расходных материалов.

Установке будет необходима регулярная замена следующего оборудования и расходных материалов:

• Модули топливных элементов
• Компоненты и химические вещества для очистки воды
• Серный сорбент (средство сероочистки)
• Разлитый по бутылкам азот (баллоны с жатым газом)
• Предварительные катализаторы
• Фильтр глубокой очистки для выхлопных газов
• Термостабильный катализатор (если устанавливается)
• Различные материалы для нормальной работы и технического обслуживания станции (включая фильтры, масло для смазки и т.д.)

Предполагаемые начальные интервалы для замены большинства катализаторов и химических материалов для установки перечислены в таблице:

Пример теплоэнергетической установки (400 кВт) на топливных элементах (фосфорно-кислотный топливный элемент)