Совместными
усилиями
к общему успеху...
с_1997 года
"ИНТЕХ ГмбХ"
Установка является стационарной энергетической установкой с фосфорно-кислотным топливным элементом. Предназначается для систем распределенной генерации электроэнергии, а также для систем с комбинированным производством электроэнергии и тепла. Она способна производить 400 кВт постоянной, надежной электроэнергии при образовании теплоты, которую можно в дальнейшем применять для обогрева помещений, в устройствах нагрева воды, а также для запуска абсорбционной холодильной установки. Кроме этого, установка подает резервное питание, когда энергосистемы общего пользования выходят из строя.
На рисунке 1-1 показаны основные операции системы. Сначала в системе обработки топлива природный газ превращается в водород в результате процесса, известного как преобразование при помощи каталитического пара. Затем водород и воздух поступают в 4 батареи фосфорно-кислотных топливных элементов, в которых водород и кислород соединяются электрохимическим путем для образования электро-, водо- и теплоснабжения с постоянным током. Конечный этап: электроэнергия с использованием переменного тока производится посредством встроенного преобразователя постоянного тока в переменный. Тепло, вырабатываемое в топливном элементе, производит пар, который подается обратно в систему обработки топлива для дальнейшего использования в процессе преобразования пара. Используемое тепло поставляется в предоставленный потребителем источник воды через встроенные радиаторы рекуперации тепла.
Таблица 1-1 предоставляет обобщенные данные по производительным характеристикам системы с применением установки.
Таблица 1-1. Производительность теплоэнергетической установки
| Технические характеристики | Производительность |
|---|---|
| Полезная выходная электрическая мощность | 400кВт/471 кВA, 480 В, 50 Гц, 3 фазы |
| Электрический КПД | 42% - начальный уровень 40% - номинальный уровень |
| Выходная мощность по теплу | 0,39 Гкал/ч - начальный уровень 0,43 Гкал/ч - номинальный уровень |
| Комплексный КПД системы, низкая теплотворная способность | До 90% |
| Расход природного газа (при теплоте сгорания 38 МДж/м3) | 1,70 м3/мин - начальный уровень 1,75 м3/мин - номинальный уровень |
| Удельный расход природного газа | 0,26 м3/кВт-ч |
| Расход воды: - при температуре окружающей среды ≤+30 °C - при температуре окружающей среды +43,3 °C |
- не потребляет - 3,8 л/мин (при давлении 276 кПа) |
| Выход воды | Отсутствует |
Модель собирается на заводе–изготовителе, а теплоэнергетическая установка с протестированным топливным элементом состоит из двух главных компонентов: блок питания и модуль охлаждения. Блок питания состоит из пяти подсистем, собираемых и тестируемых, как комплектная система на заводе-изготовителе. Блок питания поставляется на место производства полностью укомплектованным вместе с необходимым оборудованием, проводкой и трубопроводами. Обычно требуется поставляемый заводом-изготовителем модуль охлаждения, который может быть установлен в непосредственной близости от блока питания. На рисунке 1-2 показан установленный блок питания с расположенным поблизости модулем охлаждения (на крыше здания).
Блок питания состоит их пяти основных подсистем, которые изображены на рисунке 1-3.
Система обработки топлива преобразует природный газ в продукт водорода, обогащенный водородом газ, который впоследствии поставляется на другую сторону батарей топливных элементов. Модуль включает конденсатор для возобновления подачи воды, вырабатываемой при работе топливного механизма путем конденсации водяных паров после завершения процесса. Таким образом, устраняется необходимость в подаче подпиточной воды, требуемой при большинстве операций.
Система обессеривания
Система обессеривания удаляет всю серу, применяемую для придания запаха природному газу. Сера неблагоприятно влияет на катализаторы, используемые в системах топливных элементов. Данная система также удаляет небольшую долю кислорода в природном газе.
Преобразователь пара
Пар (H2O), вырабатываемый в охлаждающем контуре батарей механизмов термической системы управления, соединяется в преобразователе с метаном (CH4) природного газа для образования газа, состоящего из водорода (H2), оксида углерода (СО) и диоксида углерода (СО2). Природный газ с содержанием азота также может помочь создать небольшое количество аммиака.
2CH4 + 3H2O = 7H2 + CO + CO2 — Равенство 1
Интегрированный низкотемпературный преобразователь
Интегрированный низкотемпературный преобразователь вырабатывает дополнительный водород при взаимодействии воды с газом, в котором газ СО и вода преобразуются в водород и СО2. Уменьшенное содержание газа СО сокращает его влияние на производительность батарей топливных элементов.
CO + H2O = H2 + CO2 — Равенство 2
Поглотитель аммиака
Важной характеристикой системы обработки топлива является внедрение скруббера для поглощения аммиака, разработанного для сокращения содержания аммиака, входящего на стороне анодов топливного механизма. Аммиак формируется в топливном процессоре из азота, содержащегося в природном газе. Поглотитель аммиака увеличивает устойчивость системы к содержанию азота, при этом продолжительность работы батарей топливных механизмов возрастает до 10 лет.
Конденсатор
Конденсатор возмещает водяной пар, испаряемый на выходе системы. Эта вода, образуемая при работе топливных механизмов, возвращается в термическую систему управления и в конечном итоге становится источником воды, применяемой в преобразователе и интегрированном низкотемпературном преобразователе. Тепло, полученное в конденсаторе, также является источником теплоты низкой температуры, доступной для нагревания жидкости, поставляемой потребителем.
Батареи фосфорно-кислотных топливных элементов, подобно другим батареям топливных элементов, состоят из большого числа повторяющихся элементов. Диаграмма одного подобного элемента представлена на рисунке 1-4. Каждый топливный элемент состоит из матрицы, содержащей электролит ортофосфорной кислоты (H3PO4), анодного и катодного слоев.
Водородное топливо проходит в топливные элементы через каналы потока в сепараторе. В сепараторе происходит разделение газа на катод и анод повторяющихся элементов. Водород посредством электрохимической реакции взаимодействует с анодным катализатором для выбивания электрона из атомов водорода, как показано в равенстве 4. Ортофосфорная кислота, поглощенная матричными материалами, образует протонопроводящий электролит, через который оставшиеся протоны водорода мигрируют на слой катодного катализатора. Электрод заставляют двигаться вокруг электролита, что создает электрический ток. Кислород, потребляемый в ходе данного процесса, получается из потока воздуха, поставляемого в каналы сепаратора на катодной стороне элемента. Равенство 5 показывает электрохимическую реакцию на катодной стороне, которая позволяет восстанавливать протоны с электронами для создания молекулы воды.
Основное уравнение реакции топливного элемента:
2H2 + O2 = 2H2O — Равенство 3
Электрохимическая реакция на аноде:
2H2=4H++4e — Равенство 4
Электрохимическая реакция на катоде:
O2+4e-+4H+=2H2O — Равенство 5
Модуль системы электроснабжения содержит 4 батареи топливных элементов, которые составляют основу модели. Каждая батарея топливных элементов, или модуль батарей элементов, содержащая 376 отдельных элементов, может вырабатывать более 100 кВт электроэнергии. Батареи топливных элементов соединяются последовательно, как показано на рисунке 1-5. Вместе они вырабатывают постоянный ток высокого напряжения.
Продукт преобразования водорода и поток воздуха подходит к каждой из батарей топливных элементов одновременно и так, чтобы уровень выходной мощности был одинаковым на всех четырех батареях. Вода, выделяемая при реакции топливных механизмов, покидает батареи вместе с отработавшими газами. Вырабатываемое во время реакции тепло удаляется потоком воды через изолированные охлаждающие элементы, встроенные на всем периметре модуля батарей.
Термическая система управления/Система очистки воды поддерживает термический баланс в системе путем охлаждения воды в батареях топливных элементов и в системах остального оборудования. Пар, вырабатываемый в контуре батарей элементов, передается в систему обработки топлива для дальнейшего применения в процессе преобразования природного газа. Термическая система управления состоит их двух радиаторов рекуперации тепла, средств управления и интерфейса для отведения тепла в охлаждающий модуль установки.
Тепло, получаемое в процессе работы топливных элементов, поставляется потребителю, как в форме высокой температуры, так и в форме низкой температуры. Тепло высокой температуры вырабатывается в охлаждающем контуре батарей элементов, оно может нагревать жидкости, поставляемые потребителем, до 120°C. Тепло высокой температуры составляет приблизительно 45% от общего тепла, доступного для системы. Тепло низкой температуры изначально вырабатывается в конденсаторе и может нагревать жидкости от 60° до 77°C, в зависимости от разных условий. Неиспользуемое тепло низкой температуры также доступно в низкотемпературном контуре.
Система очистки воды подает обработанную воду высокого качества на батареи топливных элементов и на остальное оборудование. Процесс идет посредством циркуляции рекуперированной воды через ряд опреснительных установок. Подпиточная вода обычно не требуется при работе при температуре окружающей среды ниже +30°C, при более высоких температурах подпиточная вода подвергается очистке такими же опреснительными установками.
Модуль энергосистемы выполняет как функцию системы поддержания нормальных параметров электроснабжения, так и функцию действующего блока управления для всей теплоэнергетической установки. Постоянный ток поступает из батарей топливных элементов и преобразуется для получения переменного тока 480 В/50 Гц/3 фазы на выходе к оборудованию потребителя. Система на основе инвертора автоматически синхронизируется с имеющейся энергосетью без необходимости в отдельной синхронизации для каждого типа оборудования. Модуль энергосистемы предоставляет отдельное сопряжение в 480 В для подачи напряжения на изолированные потребительские нагрузки. При применении данного модуля потребительская нагрузка питается как от доступной системы энергетической сети, так и автономно. При обесточивании основной энергосети топливные элементы через несколько секунд перейдут к автономному режиму, нагрузка будет изменяться в соответствии с требованиями по изолированной нагрузке.
Блок управления теплоэнергетической установки размещается на модуле энергосистемы, с его помощью осуществляется автономное и дистанционное управление из центра управления при помощи отдельно поставляемой системы дистанционного управления. Дополнительная электроэнергия для остального оборудования (моторы, насосы, датчики и т.д.) также поступает из модуля электроэнергии.
Основной функцией установки для обработки воздуха является поставка очищенного воздуха к катоду топливных элементов и камере сгорания установки реформинга природного газа. Подача требуемого потока воздуха достигается при помощи центробежного нагнетателя низкого давления. Вентиляционный воздух, предназначенный для надлежащего охлаждения и вентиляции компонентов системы, также поставляется к топливу и отсекам мотора, расположенных в корпусе. При просачивании воздуха через корпус оборудования поток воздуха, подаваемый нагнетателями в установке для обработки воздуха, будет служить средством, предохраняющим систему от возникновения взрывной смеси топлива.
Установка включает в себя сухой воздухоохладитель с дистанционным управлением, который обеспечивает полный отвод тепла и охлаждение системы топливных элементов. На рисунке 1-7 показан охлаждающий модуль с шестью вентиляторами, которые питаются непосредственно от теплоэнергетической установки как внутренняя дополнительная нагрузка. Охлаждающий модуль не уменьшает полезную выходную мощность установки. Скорость вентиляторов можно регулировать, они автоматически управляются для поддержания заданной температуры внутри системы. Рекуперация потребительской теплоты уменьшает общую нагрузку на охлаждающий модуль.
Охлаждающий модуль, управляемый дистанционно из блока питания, был разработан как встроенный компонент низкотемпературной системы охлаждения для термической системы управления. Насос, выпускной клапан и средства управления, используемые для снабжения системы охлаждающей жидкостью с гликолем, находятся в самой теплоэнергетической установке. Охлаждающий модуль включает встроенную расширительную цистерну и электровыключатель массы.
Охлаждающий модуль может находиться на удалении до 75 м от блока питании и соединяется обратным и питающим трубопроводами диаметром 63 мм. Его также можно устанавливать сверху блока питания при использовании дополнительной платформы для монтирования охлаждающей установки на крыше здания. Центральная система охлаждения оборудования может применяться в местах установки модулей охлаждения воздуха, но требуется обязательное наличие в центральной системе оборудования аварийной резервной мощности для продолжения работы даже при перебоях в системе электроснабжения.
В состав теплоэнергетической установки входит система связи через Интернет, именуемая Система дистанционного управления. Данная система предоставляет центру управления возможность дистанционного доступа к техническим данным теплоэнергетической установки, а также предлагает ограниченное управление, включая запуск, установление значения выходной мощности (в кВт) и команды выключения. Энергетическая установка может сама подавать сигналы для оповещения технических специалистов о достижении предельного значения показателей, о статусах или о требовании в ТО. Система дистанционного управления также снабжает потребителей доступом на официальный сайт для просмотра статуса работы теплоэнергетической установки. Каждая система дистанционного управления может взаимодействовать максимально с 6 установками на одном производственном объекте. На рисунке 1-8 представлена структура системы дистанционного управления.
Теплоэнергетическая установка на основе топливных элементов была разработана для непрерывной работы на протяжении 20 лет. В связи с этими данными требуется проводить капитальный ремонт или замену основных компонентов каждые 10 лет работы. Под основными компонентами понимаются комплект деталей батарей топливных элементов и детали системы обработки топлива.
Следующие шаги сжато описывают процесс пропитывания пористой углеграфитной пластины небольшим количеством ортофосфорной кислотой. Целью этого эксперимента является удостоверение в том, что при появлении какой-либо трещины жидкая кислота не просочится через щели при полном впитывании.
Установка была разработана для предоставления потребителям 400 кВт выходной мощности на протяжении 10 лет работы батарей топливных элементов. Мощность, потребляемая охлаждающим модулем для устранения производства нерекуперированного потребителем тепла, является внутренней нагрузкой. Это не сокращает выходную мощность. В общем, при превышении установленного срока службы для батарей элементов теплоэнергетическую установку можно будет эксплуатировать, если в этом есть какая-либо экономия.
Запуск модели происходит посредством использования энергосети потребителя. Требуемая мощность при запуске составляет в среднем 70 кВт на протяжении 5 часов. Максимальное значение требуемой мощности составляет 158 кВт. При начальном запуске происходит подогрев интегральной низкотемпературной системы и модуля батарей элементов до рабочей температуры. Используются электрические нагревательные элементы. После запуска энергетическая установка будет поставлять энергию напрямую к охлаждающим модулям и системам связи (внутренние нагрузки будут поддерживать чистую заданную выходную мощность для потребителя в 400 кВт).
Таблица 2-1. Электрические характеристики1 при подключении к сети
| Электрические характеристики при подключении к сети | |
|---|---|
| Номинальная мощность энергетической установки | |
| Номинальная мощность (чистая) | 400кВт/ 471 кВА |
| Стандартные конфигурации напряжения и частоты | 480В, 3 фазы, 3 провода, 50 Гц |
| Электрические характеристики | |
| Диапазон рабочих режимов | 0-100% - установлено заводом изготовителем |
| Диапазон коэффициента мощности (при номинальном линейном напряжении) | От 0,85 до 1,0 отставание/ опережение (регулируется), 0,85 - опережение до ±5% линейного напряжения. 0,9% отставания при 5% линейного напряжения. |
| Стабильность подачи и точность энергии | Полезная мощность регулируется при ±1% от нормы. Реактивная мощность при ±2% от нормы. Данные значения достигаются в течение 100 миллисекунд после изменения состояния энергосети. |
| Ток короткого замыкания | 110% от установленного среднеквадратичного тока, определяется за 1 цикл |
| Нулевой экспорт электроэнергии | Энергетическая установка может опционально «следовать за нагрузкой» (контролировать экспорт полезной мощности) через выходной сигнал внешней системы контроля экспорта/импорта (кВт) |
| Разбаланс линейного напряжения | 2%, между фазами, кВА, установлено на заводе-производителе. 5%, кВА, отклонение от нормы до 85%. Отклонение линейно по отношению к норме. При разбалансе прерывание меньше 5%. |
| Гармонический ток | Гармонический ток должен соответствовать стандарту UL1741 при номинальной мощности (эксплуатация при стандартном сопротивлении, 4% индуктивная нагрузка шунтируется 56% резистивной нагрузкой). Для источника генератора, соединенного с электрической сетью, необходимо, чтобы гармоническое напряжение соответствовало стандартам IEEE 519. |
| Выход | Фиксированная нагрузка между 0% и 100% Приведите в соответствие изменения от минимальной нагрузки до максимальной за менее, чем 40 секунд при макс. 10 кВт/cек |
Таблица 2-1. Электрические характеристики1 при подключении к сети
| Электрические характеристики при подсоединении к сети | |
|---|---|
| Номинальная мощность энергетической установки | |
| Меры предосторожности | Меры предосторожности в соответствии со стандартами UL1741 |
| Повторное соединение | Энергетическая установка автоматически восстанавливает соединение после разъединения, если сеть работает в обычном режиме в промежутке 0-10 минут (возможно отрегулировать). Если разъединения происходят часто, повторное соединение невозможно провести автоматически. |
1 Стандартное сопротивление определяется как 4% индуктивной нагрузки, шунтированные 56% резистивной нагрузки.
Таблица 2-2. Электрические характеристики при автономной работе
| Электрические характеристики при автономной работе | |
|---|---|
| Номинальная мощность энергетической установки | |
| Номинальная мощность (чистая) | 400 кВт/ 471 кВА |
| Стандартные конфигурации напряжения и частоты | 480 В, 3 фазы, 3 провода, 50 Гц |
| Электрические характеристики | |
| Номинальное значение тока (Ампер, переменный ток) | 566 А переменного среднеквадратичного тока. 0,85 – коэффициент мощности. |
| Бесперебойный режим рабочего диапазона | От 0 до 100% номинальной мощности (кВА) |
| 5 секундный (максимум) временный номинал по нагрузке | 565 кВА (120%) при 440 кВт (110%), до 5 секунд |
| Пошаговая нагрузка | 50 кВт максимальной пошаговой нагрузки, любое место, от 0 до 350 кВт 50 кВт максимальной нагрузки от 350 до 400 кВт 10 кВт/c при максимальном постепенном изменении мощности За основу взят типичный 5-секундный запуск электродвигателя мощностью 15 кВт |
| Бесперебойный режим регулирования напряжения | ±1% от номинального значения |
| Переменное регулирование напряжения | 3% изменение напряжения (максимум), возврат к стандартному 1% значению за 100 миллисекунд |
| Гармоническое напряжение | Общее искажение напряжения высшими гармониками – менее 3% при балансе линейной нагрузки. Ни одного гармонического искажения, менее 1% при балансе линейной нагрузки |
| Фазовое разнесение | 120 ±3 электрического градуса |
| Нарушение баланса тока | 30% максимального нарушения баланса тока |
| Ток короткого напряжения | 880 А переменного тока между фазами Максимальная продолжительность – 5 секунд |
| Синхронизация электрической сети | Энергетическая установка синхронизируется с внешней энергосетью при ее наличии. |
| Время перехода | Переход от состояния подключения к сети к состоянию разъединения с сетью происходит менее, чем за 5 секунд. |
В основе рисунка 2-2 лежит производительность энергетической установки в начале ее эксплуатации.
Так как установка является комбинированной установкой по производству тепловой и электрической энергии, наибольшая ее эффективность приходится на режим работы, когда все потребляемое тепло задействуется на производственном объекте потребителя. Если это достигается, комплексная эффективность системы достигает 90% (низкая теплота сгорания). В следующем примере этот процесс проиллюстрирован наилучшим образом (используются значения при начале эксплуатации), где:
Низкая теплота сгорания природного газа = 34,6 MДж/м3
Высокая теплота сгорания природного газа = 38,8 МДж/м3
Использование природного газа, высокая теплота сгорания = 3798 МДж/ч
Топливо (низкая теплота сгорания природного газа) = (Низкая теплота сгорания природного газа / Высокая теплота сгорания природного газа) x Использование природного газа (Высокая теплота сгорания природного газа)
Природный газ, топливо при низкой теплоте сгорания:
Равенство 6
Топливо = (34,6 MДж/м3/ 38,8МДж/м3)*100800м3/ч=3418 МДж/ч≈150кВт
Используемая теплоотдача (в начале эксплуатации) = 2313 МДж/ч (450 кВт)
Электрический выход = 400 кВт электрической мощности
Эффективность системы = (используемая теплоотдача + эл. выход) / топливо в расчете на эффективность всей системы:
Равенство 7
Эффективность всей системы = (400 кВт эл.энергии+450 кВт)/ 950 кВт≈89%
У энергетической установки с топливными элементами есть 2 устройства рекуперации тепла для непосредственного нагрева потребительской воды. Сюда входит нагрев при низких температурах (60°C) и нагрев при высоких температурах (120°C). Действительная температура будет зависеть от следующих факторов:
Для устройств рекуперации тепла с высокими температурами доступна только часть всего тепла энергетической установки. При помощи устройств с низкими температурами возможен доступ ко всему остальному теплу, не задействованному при работе устройств с высокими температурами, кроме того, возможно получение дополнительного тепла из конденсатора энергетической установки. Использованное тепло от устройства с низкими температурами энергетической установки, не нужное потребителю, автоматически отводится в охлаждающем модуле, входящем в комплект установки. Как показано на рисунке 2-3 тепло может отводиться одновременно со всех трех устройств. Применение использованного тепла с двух устройств необязательно при эксплуатации установки.
Устройство рекуперации тепла низкой температуры находится на внутреннем радиаторе, который изначально разогревает входящую воду потребителя с 27°C до 60°C, скорость потока - 190 л/мин. При использовании только тепла низкой температуры (без тепла высокой температуры) при запуске системы будет доступно около 0,39 ГКал/ч тепла при полной мощности. Количество поставляемого тепла сокращается при более высоких входных температурах, а также увеличивается количество часов эксплуатации энергетической установки. На рисунке 2-4 показано общее количество доступной теплоты, за основу берутся следующие условия: начало эксплуатационного периода батарей топливных элементов, номинальный срок службы и конец срока эксплуатации.
Энергетическая установка не контролирует поставку тепла от низкотемпературного радиатора. Сторона энергетической установки (горячая сторона) всегда находится в нагретом состоянии. Поэтому тепло передается на сторону потребителя (холодная сторона) радиатора в любое время работы энергетической установки. Потребитель должен контролировать контур низкотемпературной рекуперации тепла для предотвращения перегрева системы. Использованное тепло низкой температуры, не нужное потребителю, автоматически отводится в сухой воздухоохладитель, поставляемый вместе с энергетической установкой.
На рисунке 2-5 показано суммарное значение рекуперации тепла от энергетической установки в начале эксплуатации, выходная мощность – 400 кВт. При данном значении доступного тепла низкой температуры температура выходной воды на стороне потребителя будет зависеть от температуры входной воды и скорости потока. Например, при фиксированном значении температуры входной воды более высокие значения скорости потока будут уменьшать значение выходной или поставляемой температуры. При увеличении температуры входной воды будет уменьшаться количество тепла, как показано на правой стороне оси Y.
Устройство рекуперации тепла низкой температуры было изначально разработано для нагрева воды с 27°C до 60°C при скорости потока в 190 л/мин и выработке 0,39 Гкал/ч тепла. С такими же значениями, но в конце срока эксплуатации установки температура поставляемой воды может увеличиться до 74°C. Непредусмотренные скорости потока и входные температуры изменят выходную температуру. Например, при скорости потока в 190 л/мин и температуре входящей воды 49°C выходная температура увеличится приблизительно до 69°C, но количество доступного тепла сократится до 0,23 ГКал/ч. Дополнительное тепло будет рекуперировано до температур входящей воды (ниже номинального значения в 27°C).
На стороне низкотемпературного радиатора потребителя необходимо установить выпускной клапан (с уставкой 930 кПа или меньше) перед запорными клапанами для защиты низкотемпературного клапана.
При проектировании должен учитываться запас тепла для топливных элементов, как в начале эксплуатации, так и в конце. Кривые начала и конца эксплуатационного периодов рассматриваются в конце данного раздела. Кривая перепада давлений при низких температурах, выступающая в роли функции скорости потока, также рассматривается после кривых рекуперации тепла.
Энергетическая установка с топливными элементами снабжена еще и устройством рекуперации тепла высокой температуры, которое предоставляет доступ к теплу с более высокими температурами из охлаждающего контура батарей топливных элементов. Высокотемпературный радиатор был разработан для нагрева потребительской воды под давлением до 120°C. Поставка тепла от высокотемпературного радиатора контролируется энергетической установкой при использовании обходного клапана с горячей стороны. Любое количество тепла высокой температуры, не используемое на данном устройстве, будет передано (внутри системы) устройству рекуперации тепла низкой температуры, что приведет к увеличению температуры низкотемпературного радиатора.
Номинальное количество тепла высокой температуры зависит от КПД топлива модуля батарей элементов. В начале работы установки или после замены батарей установка более производительна, поэтому вырабатывается меньше тепла высокой температуры. В начале эксплуатации при 400 кВт вырабатывается около 0,17 ГКал/ч тепла. При рекуперации тепла высокой температуры доступная рекуперация тепла низкой температуры сокращается до количества, поставляемого устройством рекуперации тепла с высокими температурами. Данное тепло высокой температуры является вторичным теплом низкой температуры.
На рисунке 2-7 показано доступное тепло высокой температуры в начале эксплуатации. Энергетическая установка проведет необходимые действия для того, чтобы отрегулировать горячую сторону радиатора для передачи только того количества тепла, которое необходимо для поддержания температуры батарей элементов. При входной температуре выше 93°C радиатор начинает ограничивать температуру, что сократит поставки тепла. Неиспользованное тепло будет все еще доступно в устройстве рекуперации тепла низкой температуры.
Горизонтальная линия на рисунке 2-7 показывает количество доступного тепла высокой температуры, первоначально является неизменной величиной, что отмечено на вторичной оси Y. При номинальной входной температуре и скорости потока в конце срока эксплуатации температура поставляемой воды увеличится до 127°C. Линии параллельны, так как количество доступного тепла является величиной постоянной. Непредусмотренные скорости потоков и входные температуры изменяют выходную температуру. Например, при 190 л/мин и 77°C температуры входной воды выходная температура будет приблизительно равна 92°C.
Для высокотемпературного радиатора с потребительской стороны требуется установка выпускного клапана перед запорными клапанами, что будет защищать высокотемпературный радиатор.
Близкое расположение батарей топливных элементов на энергетической установке в конце эксплуатационного периода приведет большему потреблению природного газа. Результатом станет дополнительная выработка тепла высокой температуры. Потребитель должен учитывать при разработке своей системы необходимость в применении дополнительного тепла, которое будет доступно в конце эксплуатационного периода.
Кривые начала и конца срока эксплуатации рассматриваются в конце данного раздела. Кривые перепадов давления высокой температуры, функция скорости потока, показана на рисунке 2-7.
Применение устройства рекуперации высокой температуры не требуется. Система рекуперации высокой температуры на энергетической установке должна быть предоставлена потребителем при использовании программы-диспетчера энергетической установки. Как было отмечено ранее, у высокотемпературного радиатора есть обводной канал на горячей стороне для контроля над доставкой тепла.
Контроль осуществляется посредством:
Когда показания датчика превысят допустимое значение, произойдет переход от высокотемпературного радиатора к низкотемпературному.
Во-вторых, потребитель может установить требуемую выходную температуру. Внутренний обходной клапан будет задействован для поставки тепла нужной температуры. Потребитель может установить ограничения в скорости потока и входной температуре, которые не дадут выходной температуре достигнуть предела.
С другой стороны, потребитель может применить функцию подачи удаленного сигнала для температуры (от 4 до 20 мА), таким образом, осуществляется контроль над доставкой тепла высокой температуры. Это должно быть удобно, когда поток, который нужно нагреть, имеет большую скорость, чем это возможно для прохождения через установку. В данном случае часть основного потока будет нагреваться на установке. Температура потока после смешивания с нагретой установкой водой будет использоваться для контроля тепла высокой температуры.
При пересмотре кривых тепла низкой и высокой температур нужно отметить, что нагревание воды устройством нагрева при низких температурах неэффективно, если температура подаваемой воды 60°C и выше. Применение устройства с высокими температурами принесет выработку большего количества тепла. В действительности, при использовании устройства с высокими температурами поток потребителя может быть охлажден низкотемпературным радиатором (дополнительная нагрузка идет на охлаждающий модуль).
Рекуперация тепла высокой температуры сократит качество и количество тепла, доступного для устройства рекуперации тепла низкой температуры. В начале эксплуатационного периода при подаче тепла высокой температуры в 0,17 ГКал/ч доступное тепло низкой температуры сократится до 0,22 ГКал/ч. Вместе устройства рекуперации тепла низкой и высокой температур поставляют в начале эксплуатационного периода общее количество тепла в 0,39 ГКал/ч.
На рисунке 2-9 представлен данный процесс, на котором при входной температуре воды в 27°C и скорости потока в 190 л/мин выходная температуры уменьшается до 46°C. При такой же скорости потока, но в конце срока эксплуатации температура поставленной воды увеличится до 51°C.
Сокращенное количество вторичного тепла низкой температуры можно увидеть на вторичной оси Y. Потребление не всего количества доступного тепла высокой температуры приведет к увеличению вторичного тепла низкой температуры. Потребителю придется проводить расчеты для определения подобных условий.
Уже было отмечено, что тепло высокой температуры должно подаваться к потоку с потребительской стороны для увеличения подаваемой низкой температуры выше номинального значения в 60°C (для этого производится соединение выходного тепла низкой температуры и входного тепла высокой температуры). Данный процесс является нецелесообразным, так как эти системы уже соединены между собой. Высокотемпературный радиатор энергетической установки будет подавать тепло к потребительским выходящим потокам низкой температуры. Одновременно с этим система станет уменьшать температуру на горячей стороне, входящую в высокотемпературный радиатор, посредством уменьшения тепла, переданного в систему низких температур встроенным радиатором. Таким образом, при равновесии выходная низкая температура будет уменьшена, а конечное тепло из устройства рекуперации тепла высокой температуры останется таким же значением, какое бы было при использовании только одного устройства рекуперации тепла низкой температуры.
Кривые на рисунках с 2-5 по 2-10, основанные на компьютерном моделировании, служат лучшими примерами. Данные на всех рисунках можно заменить измеренными показателями, как только таковые будут доступны. Кривые учитывают эксплуатацию при полной мощности (400кВт). Эксплуатация при меньшем уровне мощности сократит доступную рекуперацию тепла.
Кривые на рисунках 2-11 и 2-12 показывают данные по перепадам давления для высокотемпературных и низкотемпературных радиаторов потребителя. Рекомендуемая максимальная скорость потока для двух радиаторов – 463 л/мин.
В конце срока эксплуатации установки тепло высокой температуры может использоваться для выработки холодильной установкой до 60 тонн охлажденной воды.
Таблица 2-3. Данные по выбросам газов
| Грамм | Число частей на миллион по объему 15,4% O2 | |
|---|---|---|
| NOx | 9,06 | 0,50 |
| CO | 9,06 | 0,67 |
| VOC | 9,06 | 1,36 |
| CO2 | 498300 |
Уровень шума энергетической установки с топливными элементами составляет менее 65 дБА на 10 метров в любой области установки. Это соответствует уровню шума при нормальном разговоре. При работе устройства рекуперации тепла на полной мощности охлаждающий модуль выключается, и уровень шума падает до 60 дБА на 10 метров.
На установке задействованы трубопроводы низкого давления для подачи природного газа. Допустимый состав газа приведен в таблице 3-1. Энергетическая установка не будет работать при внедрении ограниченного по нагрузке газа (из-за большого содержания кислорода) или пропана. При работе в условиях переходных процессов в конце срока эксплуатации установки требуемое давление природного газа находится в пределах от 1 кПа до 3,5 кПа, а объемы потока составляют 126 м3/ ч. На шаблонах монтажных чертежей представлены все требования по проектированию механической конструкции.
Одним из требований является проведение потребителем анализа образца природного газа для оценки и документального подтверждения. Обычно эти действия осуществляются через местную газовую компанию.
Данная энергетическая установка была разработана для работ с природным газом, содержащим 4% азота. Аммиак, образуемый в процессе переработки топлива, удаляется встроенным аммиачным поглотителем. Баллоны из полимерных материалов поглотителя обычно меняются раз в год. Система работает и с применением природного газа с 15% азота, что скажется на более частой замене баллонов и умеренном повышении стоимости услуг.
Таблица 3-1. Допустимый состав газа
| Компоненты природного газа | Максимально допустимое количество |
|---|---|
| Метан | 100% объема |
| Этан | 10% объема |
| Пропан | 5% объема |
| Бутан | 1,25% объема |
| Пентан, гексан | 0,5% объема |
| CO2 | 3 % объема |
| O2 | 0,2% объема |
| N2 | В среднем 4% объема, 15% - предельное количество |
| Общее содержание серы | Макс. – 30 частей на миллион по объему, среднее значение – 6 частей на миллион по объему |
| NH3 | 0,5 частей на миллион по объему |
| Галид | 0,05 частей на миллион по объему |
| Олефин | 0,0% |
В результате соединения водорода и кислорода на установке образуется вода. Эта вода конденсируется из выхлопов установки и становится питающей водой для процесса преобразования метана в водород и СО2. Температура конденсатора на установке контролируется, чтобы конденсировать только то количество воды, которое необходимо для поддержания водного баланса. Конденсированная вода хранится и очищается встроенной системой очистки воды до 1 микромо. При температуре окружающей среды выше +30°C на установке может потребоваться выработка небольшого количества подпиточной воды (условно менее 3,7 л/мин) для добавления к конденсированной воде. Количество требуемой воды увеличивается от 0 л/мин при 30°C до 3,7 л/мин (в среднем) при 43°C. Минимальное требуемое давление – приблизительно 280 кПа. Хотя при обычных условиях не должна происходить утечка воды, рекомендуется установить дренажную систему в подходящем месте в соответствии с предъявляемыми требованиями.
Еще одним требованием является проведение составного анализа подпиточной воды с целью проведения экспертизы и предоставления документации. Допустимый состав подпиточной воды представлен в таблице 3-2.
Таблица 3-2. Допустимый состав подпиточной воды
| Состояние воды | Уровень |
|---|---|
| Общее количество растворённых твёрдых веществ | < 500 мг/л |
| Мутность (1FTU=1ЕМФ (единица мутности по формазину)=1ЕМ (единица мутности)/дм3) | < 1,0 |
| Диоксид кремния (все разновидности Si) | < 25 весовых частей на миллион |
Рекомендуется внедрение системы обратного осмоса для предочистки воды на производственных объектах с высокой проводимостью воды или высоким содержанием минералов (особенно кремния).
Поставляемая потребителем система подачи инертного газа требуется для продувания топлива и систем воздушного охлаждения установки во время запуска и выключения. При стабильной работе инертный газ не требуется. Технические характеристики инертного газа показаны в таблице 3-3. Должно быть доступно 85 м3 (минимум) для поддержания работы двух циклов (запуск и выключение) (стандарт – 10 баллонов объемом 85 м3). Реле давления необходимо установить для контроля над давлением в баллонах продувочного газа. Реле давления соединено с энергетической установкой и дистанционно управляется из центра управления. Перед пуском по трубам продувочный газ должен быть снижен до значения 3,7 МПа.
Таблица 3-3. Характеристики продувочного газа
95% азота
5% водорода
Менее 20 частей на миллион кислорода
На установке можно опционально установить внешние провода цепи управления и контроля, которые поставляются потребителем.
Система управления, поставляемая потребителем, или обычный переключатель (замыкание «сухого контакта») могут выключать установку. При этом установка незамедлительно включит свой внутренний размыкатель цепи и приостановит доставку мощности потребителям. Установка начнет передавать мощность от потребителя для охлаждения своей системы. Если установлено соединение с нагрузкой в режиме подключения к сети, установка будет передавать дополнительную энергию для продолжения подпитки контура сети, работающего в автономном режиме.
Потребитель также может формировать соединение для экстренного выключения (также при замыкании сухого контакта). Экстренное выключение является «отказоустойчивой системой управления», так как оно находится не под контролем блока управления установки. Отключающая катушка минимального напряжения на внутреннем преобразователе размыкателя цепи будет напрямую включать размыкатель. Подобными действиями также закроется входной клапан. Установка будет продолжать потреблять энергию для охлаждения и подачи энергии на нагрузку в режиме автономной работы (если есть соединение).
Данный контур принимает сигнал от 4 до 20 мА от потребителя, который будет настраивать выходную мощность установки. Полная мощность устанавливается на значении в 20 мА, а 0 кВт – для 4 мА. Выходная мощность равномерно распределяется между этими значениями силы тока. Этот контур может быть крайне полезен для потребителя (для схем следования за термической нагрузкой и почасовая схема работы распределения нагрузки).
Данный контур, контролирующий экспорт нулевой мощности, использует реверсивный датчик электрической энергии, расположенный на датчике воды, газа в здании, для автоматического контроля над выходной мощностью установки в целях предотвращения экспорта мощности на электростанцию. Датчик электрической мощности работает при 4 – 12 – 20 мА. Значения 4 и 20 мА могут задаваться блоком управления установки на максимальный измеренный уровень мощности, что зависит от объемов коммунальных услуг. Значение 12 мА равно нулевому потокораспределению (импорт/экспорт) на электростанции.
Блок управления установки также берет минимальное заданное значение входной мощности. При настройке выхода установки на постоянный импорт постоянного значения кВт от электростанции образуется определенный предел, позволяющий временным настройкам установки скорректировать выход мощности, когда энергия неожиданно перестанет подаваться к зданию. Это особенно важно, когда внешняя обратная мощность релейной защиты применяется для подключения к сети (как в разделе 3.5.3). Энергетическая установка также может уменьшить выход мощности при 10кВт/c. Без минимального предела импорта применение реле может привести к нежелательному отключению системы топливных элементов.
Если тепловая нагрузка высокой температуры потребителя меньше доступного значения теплоты, внутренний обходной клапан высокой температуры может быть изменен для достижения определенного значения подачи температуры. Эти действия будут препятствовать перегреву трубопроводов потребителя. Если скорость потока на контуре обогрева выше, чем можно пройти на практике через высокотемпературный радиатор, часть потока будет подвергаться обогреву. Энергетическая установка может изменить отводную теплоту дистанционного датчика температуры (4-20мА) на трубопроводах потребителя для соответствия задаваемой температуре программы. Применение смешанной температуры в противопоставление контролю над подачей высокой температуры делает возможным использование большего количества тепла установки.
При расположении энергетической установки внутри здания обычно требуется установка механизированной системы вытяжной вентиляции. Два контурных соединения: одно применяется для запуска/остановки вытяжной вентиляции, второе - из переключателя потока в вентиляторе, который подтверждает рабочее состояние вентилятора (статус вентилятора). Установка не станет работать без подтверждения потока.
Обратите внимание на то, что вытяжной вентилятор должен питаться от контура сети в автономном режиме, который делает возможным продолжение работы при отключении от сети. При прекращении подачи энергии установке требуется приблизительно 5 секунд для возобновления подачи энергии на контуре сети в автономном режиме. Поэтому на энергетической установке для таких случаев есть функция задержки времени при действиях в соответствии с сигналом подтверждения потока.
Это не опциональный контур, он должен быть установлен вместе с остальными элементами установки. Поставляемый датчик давления должен устанавливаться в системе продувки сжатым азотом на стороне трубопровода с высоким давлением. Переключатель замыкания сухого контакта подсоединен проводкой к энергетической установке. Установка не запустится без достаточного давления газа для продувки (статус давления азота). Во время работы падение давления приведет к извещению установки о неисправности, что является обязательным требованием.
Система дистанционного контроля находится в небольшом, предназначенном для эксплуатации внутри зданий, корпусе. Энергия на него подается за счет питания переменным током от блока питания. Система дистанционного контроля соединяется с блоком питания при помощи установленного на объекте кабеля Ethernet. Максимальная длина составляет приблизительно 91 метр. Стандартное Интернет - соединение к системе дистанционного контроля производится через безопасное беспроводное сотовое соединение. Если беспроводное соединение недоступно, требуется высокоскоростное выделенное стационарное IP соединение. Система дистанционного контроля может производить управление и контроль максимум 6 энергетическими установками.
Дополнительное решение доступно для контроля над рекуперацией тепла и вычисления общего КПД. В контроль над рекуперацией тепла входит устройство регистрации данных, а также необходимые измерители потока и датчики температуры для контроля над рекуперацией тепла. Устройство регистрации данных находится в отдельном, защищенном от проникновения воды и пыли месте при стандартных размерах 6 м (В) х 5,3 м (Ш) х 2,6 м (Д) для одной системы энергетической установки. Устройство соединяется с системой дистанционного контроля на объекте. Через него устройство получает необходимые данные от блока управления установки (например, выход электричества и расход природного газа). Данные от устройства регистрации передаются к потребителю посредством устройства связи. На рисунке 3-5 представлено осуществление контроля над рекуперацией тепла и его взаимодействие с другими системами. Контроль над рекуперацией тепла должен проводиться при подаче переменного тока.
Контроль над рекуперацией тепла должен разрабатываться потребителем для соответствия требованиям каждого отдельно взятого объекта.
Дополнительный интерфейс связи доступен для отправки данных в систему диспетчеризации инженерного оборудования здания (систему управления энергопотреблением). Приводятся следующие данные:
Установка может охлаждаться центральной системой охлаждения потребителя. Предварительный проект представлен на рисунке 3-7. Центральное охлаждение и системный стык должны питаться от резервной мощности во избежание случаев перегрева и повреждения топливных элементов при обесточивании системы. Трубопроводы для топливных элементов должны находиться отдельно от центральной системы и использовать радиаторы, если центральная система не является замкнутой кольцевой системой (загрязненная вода) или при высоком давлении системы. Обходной клапан на стороне топливных элементов показан для управления температурой в обратном трубопроводе для топливных элементов, это производится для поддержания баланса конденсированной воды топливных элементов.
Топливные (водородные) элементы/ячейки
Пример теплоэнергетической установки (2.8 МВт) на топливных элементах (карбонатные топливные элементы)
Теплоэнергетические установки для получения экологически чистой энергии
