Подбор когенерационной установки на природном газе мощностью 18–150 кВт по потребности в тепле

Подбирайте газопоршневой когенерационный генератор мощностью 18–150 кВт с учетом объема тепла, которое ваше предприятие может потреблять в запланированные часы работы. Наиболее надежная отправная точка — стабильная тепловая нагрузка при подходящем температурном режиме, подкрепленная одновременным спросом на электроэнергию. Одних только пиковой мощности котла и годового расхода газа недостаточно, чтобы определить оптимальный режим работы: за этими показателями могут скрываться длительные периоды, когда утилизированное тепло невозможно использовать с пользой.

Подходящая установка часто покрывает постоянную часть потребности в тепле, а котлы — пиковую нагрузку и периоды технического обслуживания. Окончательная номинальная электрическая мощность определяется объемом утилизируемого тепла выбранного двигателя, условиями на объекте и ограничениями системы управления. Предварительное определение этих взаимосвязей позволяет избежать ситуации, когда привлекательная на первый взгляд электрическая мощность приводит к чрезмерному увеличению тепловой мощности установки.

Определите тепловую нагрузку в точке подключения

Составьте профиль потребления для контура, который фактически будет получать тепло от когенерационной установки. Отдельно учитывайте отопление помещений, горячее водоснабжение, технологический нагрев и любые другие предполагаемые потребители тепла. Для каждого из них характерны свои графики работы и температурные требования. Если объединить их в один годовой показатель потребления энергии, будет невозможно понять, совпадает ли время возникновения нагрузок и может ли один и тот же контур утилизации обслуживать все эти потребители.

Расход теплоносителя и разница температур на подаче и обратной линии служат надежной основой для расчета передаваемого тепла. Для водяных контуров тепловая мощность рассчитывается как произведение массового расхода, удельной теплоемкости и разницы температур. При наличии гликоля используйте соответствующие свойства теплоносителя и проверьте расположение счетчиков: измерения на коллекторе котла могут включать циркуляционные потери или потери, не отражающие полезную нагрузку в предполагаемой точке подключения когенерационной установки.

Если имеются только данные о расходе топлива, для пересчета расхода топлива котлом в полезное тепло требуется принять КПД, соответствующий фактическому режиму работы. Паспортный КПД не учитывает циклическую работу, потери в режиме ожидания и изменение температуры обратной воды. До тех пор пока измерения не позволят точнее определить нагрузку, такой пересчет следует считать оценочным.

Постройте кривую продолжительности тепловой нагрузки, чтобы определить, как долго сохраняется определенный уровень потребления тепла в течение рабочих часов. Затем сохраните и хронологический профиль. Кривая продолжительности упорядочивает нагрузки по величине и теряет их последовательность, поэтому по ней нельзя выявить повторяющиеся короткие периоды потребления, ночные остановки или временные параметры, необходимые для оценки теплового накопителя.

Совместимость температур определяет объем полезного тепла

Общее количество тепла, доступного для утилизации, полезно только в том случае, если оно может пройти через теплообменник и удовлетворить требованиям принимающего контура. Утилизация тепла рубашки охлаждения двигателя и утилизация тепла выхлопных газов ограничены разными температурными условиями. Их показатели следует указывать отдельно, обозначая условия, при которых доступен каждый из этих источников тепла.

Высокая температура обратной воды в системе отопления уменьшает разницу температур, необходимую для теплопередачи. Это может снизить количество передаваемого тепла или привести к работе контура охлаждения двигателя на пределе допустимых параметров. Поэтому номинальную тепловую мощность, измеренную при более низкой температуре обратной воды, нельзя напрямую переносить на более горячий технологический контур. Требуемая температура подачи, максимальная температура обратной воды, диапазон расхода и температурный напор теплообменника должны быть указаны в техническом задании на подбор оборудования.

Если для технологического процесса требуются температуры выше возможностей предлагаемого контура горячего водоснабжения, учитывайте только то количество тепла, которое выбранная система утилизации способна передать при этих условиях. Не суммируйте всю энергию рубашки охлаждения и выхлопных газов в один показатель полезного тепла, не проверив гидравлическую схему и температурные уровни.

Теплообменник также отделяет охлаждающую жидкость двигателя от контура предприятия. Его гидравлическое сопротивление, запас на загрязнение, материалы и совместимость с теплоносителем влияют как на передачу тепла, так и на требования к насосам. Теплообменник недостаточного размера может создать впечатление, что правильно подобранный двигатель не обеспечивает требуемую тепловую мощность; увеличение мощности двигателя не устранит первопричину ограничения.

Переведите стабильную тепловую нагрузку в подходящую электрическую мощность

После определения требований принимающего контура запросите данные о характеристиках установок-кандидатов в диапазоне электрической мощности 18–150 кВт. Используйте показатели тепловой мощности, передаваемой на согласованной границе объекта, а не тепла, доступного до учета потерь в трубопроводах и теплообменнике. Соотношение тепловой и электрической мощности зависит от конструкции двигателя, нагрузки и конфигурации системы утилизации, поэтому одно фиксированное соотношение нельзя применять ко всему диапазону.

Для предварительного расчета можно использовать следующую зависимость:

Предварительная электрическая мощность = стабильная полезная тепловая нагрузка ÷ соотношение утилизируемой тепловой мощности и электрической мощности в предполагаемом режиме работы.

Этот расчет помогает определить исходную мощность-кандидат. Затем ее необходимо проверить с учетом фактического графика нагрузки, минимальной непрерывной нагрузки установки и снижения мощности из-за условий на объекте. Если состав и давление газа, температура окружающего воздуха, высота над уровнем моря и условия охлаждения влияют на мощность, их следует учитывать в исходных данных, на основании которых поставщик указывает характеристики.

Сравните установки-кандидаты с учетом хронологического профиля потребления. В каждом временном интервале полезное тепло от когенерационной установки ограничено как доступной мощностью утилизации, так и тепловой нагрузкой подключенного потребителя; работу накопителя следует учитывать отдельно. Также фиксируйте вклад котлов, сброс тепла, выработку электроэнергии, собственное потребление и количество запусков. Это позволит выявить более мощную установку, которая на бумаге вырабатывает больше энергии, но значительную часть времени ограничивает мощность или сбрасывает тепло.

При сравнении необходимо внимательно интерпретировать характеристики оборудования. В описании 30-90kW biogas generator sets указана модель AMC30GFJ-PZ с номинальной мощностью 30 кВт (37,5 кВА), напряжением 400 В и частотой 50 Гц. Эти показатели описывают электрические характеристики и не подтверждают пригодность для работы на природном газе или объем утилизируемого тепла для когенерации. Прежде чем использовать эту спецификацию при подборе когенерационной установки на природном газе, необходимо отдельно подтвердить совместимость с топливом и тепловые характеристики.

Учитывайте работу при низкой нагрузке до увеличения мощности

Характеристики при частичной нагрузке определяют, насколько эффективной будет установка, выбранная по стабильной потребности в тепле, при снижении этой потребности. Запросите данные об электрическом КПД, утилизируемой тепловой мощности, допустимых температурах и минимальной непрерывной нагрузке для всего предполагаемого диапазона работы. Показатель КПД при полной нагрузке мало говорит о работе оборудования, которое большую часть времени будет функционировать при сниженной мощности.

Если нагрузка часто падает ниже уровня тепловой мощности, доступной при минимальной нагрузке установки, можно рассмотреть работу по расписанию с остановками, использование накопителя, установку меньшей мощности или несколько модулей. Частые запуски приводят к периодам прогрева и меняют соотношение между часами работы и количеством переданной энергии. В расчетной модели следует учитывать эти периоды, а не предполагать, что утилизация тепла начинается сразу в установившемся режиме.

Тепловой накопитель подходит для устранения несовпадения по времени, если избыточное тепло можно использовать позднее. Полезный объем накопленной энергии рассчитывают исходя из избытка тепла, накопленного за период зарядки, и допустимого диапазона температур. Одного лишь объема бака недостаточно: расслоение воды по температуре, минимальная полезная температура разряда и мощность зарядки определяют, какая доля накопленной энергии фактически дойдет до потребителя. Накопитель не решит проблему постоянного сезонного избытка тепла, если позднее спрос на него не возникает.

Несколько установок меньшей мощности позволяют ступенчато регулировать выработку при значительных колебаниях нагрузки. Эффект зависит от минимальной нагрузки каждого модуля, гидравлической схемы и логики последовательного включения. Сравните такую конфигурацию с одной установкой, используя одинаковые данные о нагрузке и учитывая собственные нужды и доступную площадь для монтажа.

Ограничения электроснабжения могут повлиять на выбор установки по тепловой нагрузке

Сопоставьте потребление электроэнергии на объекте с предполагаемым графиком работы по тепловой нагрузке. Если выдача электроэнергии в сеть невозможна или ограничена, низкое потребление электроэнергии может вынудить снизить мощность когенерационной установки даже при высокой потребности в тепле. Одна лишь кривая продолжительности электрической нагрузки не показывает эту проблему, поскольку не отражает, возникает ли потребность в электричестве одновременно с потребностью в тепле.

Различайте электрическую мощность на клеммах генератора и чистую мощность, доступную предприятию. Насосы, вентиляция, системы управления и другие вспомогательные устройства установки потребляют электроэнергию. Сопоставьте чистую мощность с нагрузкой объекта и укажите, как контроллер должен реагировать на снижение потребления: регулировать мощность, останавливать установку, допускать выдачу электроэнергии в сеть или применять иной согласованный режим работы.

При работе по тепловой нагрузке также необходимо определить действия на случай прекращения приема тепла принимающим контуром. Для поддержания охлаждения двигателя может потребоваться система отвода тепла, однако отводимое тепло нельзя включать в расчеты полезной энергии. Управление работой котлов должно учитывать прогрев и простои когенерационной установки, не вызывая нестабильности температуры обратной воды или ненужной одновременной работы котлов.

Укажите характеристики на границе объекта

Предложение по подбору мощности должно содержать выбранную электрическую мощность и гарантируемую тепловую мощность при заданных температурах подачи и обратной воды, условиях по топливу и уровнях нагрузки. В нем также следует указать минимальный устойчивый режим работы, собственное потребление, приоритеты системы управления и границу между оборудованием установки и трубопроводами объекта.

При вводе в эксплуатацию измерения следует проводить на тех же границах: чистая электрическая мощность, передаваемое тепло, расход топлива и температура принимающего контура при характерной нагрузке. Если фактическая передача тепла ниже ожидаемой, возможными причинами могут быть расход, характеристики теплообменника, температура обратной воды или нагрузка двигателя. Увеличивать мощность следует только при наличии подтверждения, что недостаточна именно мощность двигателя, а не компенсировать таким образом ограничения теплопередачи или системы управления.