Публикации:

Автоматизация энергетической установки на базе газогенератора и дизеля для утилизации органических отходов с получение электрической и тепловой энергии малой себестоимости

Дата публикации: 31.03.2016 г.

В статье приводятся результаты научных исследований по созданию  высокоэкономичных энергетических установок, использующих в качестве основного топлива органические отходы. Преобразование твердого органического топлива в электрическую и тепловую энергию осуществляется  многоступенчато. Всякое преобразование энергии связано с потерями. Для уменьшения этих потерь, а, значит, и повышения общего КПД энергетической установки необходимо применение общей системы автоматизации. При этом ставится цель утилизации тепла, как от дизеля, так и газогенератора. Общий КПД энергетической установки можно повысить до 90-95%.

В Дальневосточном регионе, также как и в других удаленных и труднодоступных населенных пунктах России ощущается острая потребность в электрической и тепловой энергии. В северных районах Хабаровского края (например, Аяно-Майском, Тугуро-Чумиканском и др.) энергии вырабатывается не только недостаточно по количеству, но и стоимость её достигает 18-20 руб. за кВт ч., что является тормозом в экономическом развитии производственных мощностей и существенно снижает качество жизни проживающего там населения.

Такое положение дел сложилось из-за того, что в качестве источников энергии там применяются традиционные дизель-электрические станции. Известно, что стоимость топлива нефтяного происхождения непрерывно растет. Доставка к местным ДЭС этого и без того дорогого топлива – сезонная (пресловутые «северные завозы»). Она связана с большими финансовыми затратами, которые ложатся тяжелым бременем на местные бюджеты удаленных территорий.

Все попытки специалистов энергетиков существенно повысить КПД дизельных электростанций, в том числе и за счет снижения расхода топлива первичным двигателем, пока не увенчались успехом.

В мировой практике данная проблема также не решена. Поэтому многие организации и отдельные энтузиасты, как в России, так и других странах активно занимаются поиском альтернативных путей получения энергии.

Ресурсосберегающее вовлечение в топливный баланс регионов низкосортных местных топлив связано с повышением эффективности твердотопливных устройств. Способы интенсификации процессов газификации твердых топлив в основном известны. Исследования еще середины прошлого века показывают возможность повышения качества и количества газа, вырабатываемого в газогенераторных установках.

В данной работе приводится описание конструкции автоматизированной энергетической установки для утилизации древесных отходов или низкосортной древесины. Она относится к устройствам для утилизации органических отходов на базе газогенератора для выработки тепловой, электрической энергии малой себестоимости. В работе были использованы сведения, опубликованные в литературных источниках [1-8].

В Тихоокеанском государственном университете создана энергетическая установка мощностью (электрической)  100 кВт для утилизации древесных отходов с выработкой электрической и тепловой энергии.

Включение в состав энергетической установки дополнительного устройства для получения водорода и кислорода из воды, позволяют оптимизировать параметры процесса производства генераторного газа, тепловой, электрической энергии и получения водорода и кислорода через систему автоматизации (аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ, цифро-аналоговый преобразователь, адаптеры управления подачей топлива, воздуха, воды и расходования генераторного газа) в зависимости от изменения эксплуатационной нагрузки электрогенератора в широком диапазоне в связи с характером изменения потребления энергии (суточным графиком). Используя положительную разницу между потребляемой и вырабатываемой тепловой и электрической энергией  на получение водорода и кислорода из воды, можно регулировать подачу генераторного газа в газодизель и тем самым поддерживать частоту вращения коленчатого вала дизеля постоянной на переходных режимах, обеспечивая соответствие изменения нагрузки и расхода генераторного газа в самом оптимальном режиме. При этом повышается качество получаемого генераторного газа, уменьшается его удельный расход, существенно увеличивается количество выработанной энергии, за счет более полного использования энергетических возможностей газодизеля (близких к номинальным), а также дополнительно получают ценный продукт (водород и кислород), повышают КПД энергетической установки до 95% и улучшают экологические показатели отработавших газов.

На рисунке к статье представлена схема этой энергетической установки, конструкцию которой предполагается использовать для утилизации органических отходов с получением из воды водорода и кислорода малой себестоимости.

Установка для утилизации древесных отходов содержит вертикальный корпус 1. В этом корпусе размещен расходный бункер топлива 2. В верхней части корпуса расположен загрузочный люк 3 для подачи топлива. В нижней части корпуса 1 размещено топочное устройство 4 с коллектором 5 для подачи воздуха из атмосферы в зону горения топочного устройства. Между стенками корпуса и расходного бункера образована полость А, связанная первой магистралью 6, которая пропущена через первый теплообменник 7, с фильтром грубой очистки 8 генераторного газа от грязевых частиц.

Из верхней части фильтра 8 выведена вторая магистраль 9 для отбора из него очищенного генераторного газа. Этой магистралью связаны дымосос 10 и фильтр тонкой очистки (ФТО) 11 генераторного газа. Из ФТО выведена третья магистраль 12, связанная со смесителем 13, который в свою очередь четвертой магистралью 14 соединен с газодизелем 15.

Газовая свеча 16 (дымовая труба) предназначена для отвода и контроля качества газа. Она связана пятой магистралью 17 через запорный клапан 19 с выходом дымососа 10. Для отвода тепла в воду при охлаждении генераторного газа через первый теплообменник 7 пропущена шестая магистраль 19. Она соединена с выходом второго теплообменника 20, вход которого соединен седьмой магистралью 21 с выходом третьего теплообменника 22. При этом вход третьего теплообменника 22 соединен восьмой магистралью 23 с циркуляционным насосом 24 теплостанции Б и девятой магистралью 25 с теплообменниками 26 потребителя тепла.

Через второй теплообменник 20 пропущена десятая магистраль 27, связанная с выходом четвертого теплообменника 28. Вход четвертого теплообменника одиннадцатой магистралью 29 связан с газодизелем для отвода его отработавших газов и нагрева воды для теплофикации. Смеситель 13 связан двенадцатой магистралью 30 с атмосферой для подвода к нему воздуха и образования смеси генераторного газа с воздухом. Кроме того, газодизель тринадцатой магистралью 31 через топливный насос высокого давления 32 связан с расходной цистерной 33 запального дизельного топлива.

Потребители электрической энергии, вырабатываемой описываемой установкой, связаны с ней через электрический распределительный щит 34, соединенный с электрическим генератором 35. Из нижней часть фильтра 8 производится выгрузка фильтрующего материала (например, специально подготовленные по фракционному составу древесные отходы) для дальнейшего использования в качестве топлива.

Система подачи твердого топлива состоит из бункера основного запаса топлива 36, наклонного шнекового питателя 37, один конец которого помещен в нижнею часть бункера 36, а верхний его конец выведен в загрузочный люк 3.

Третий теплообменник 22 служит для утилизации тепла циркуляционной воды внутреннего контура системы охлаждения газодизеля. Он связан на выходе с четырнадцатой магистралью 38 через клапан 39 с циркуляционным насосом 40. Внутренние полости поверхностей охлаждения газодизеля связаны с терморегулятором 41, имеющим два выхода. Первый выход для соединения с пятнадцатой магистралью 42 с входом третьего теплообменника 22, а второй выход – для соединения с шестнадцатой магистралью 43 с пятым теплообменником 44 (радиатором). Выход пятого теплообменника соединяется с семнадцатой магистралью 45 и четырнадцатой магистралью 38 с клапаном 39 и насосом 40. Для сбора золы предусмотрен зольник с дверцей 46.

В состав энергетической установки включено устройства для выработки из воды высококалорийного топлива (водорода) и кислорода, а также комплект оборудования системы автоматизированного управления всеми технологическими процессами получения генераторного газа и водорода – кислорода из воды. Система автоматизации включает в свой состав ЭВМ (микроконтроллер) 47, который связан с одной стороны – с аналогово-цифровым преобразователем 48, на который поступает поток информации по первому каналу 49 от измерительного преобразователя активной мощности трехфазного тока 50 (например, типа Е829), а по второму каналу 51 – от датчика частоты вращения 52 коленчатого вала. По третьему каналу 53 передается информация от датчика уровня древесного топлива 54, расположенного в расходном бункере 2. По четвертому каналу 55 идет информация от датчика температуры водяного пара 56, который установлен в стартерной камере 57 устройства 58 для выработки водорода и кислорода из воды. Пятый измерительный канал 59 соединен с цифро-аналоговым преобразователем 60, который по шестому каналу 61 передает информацию адаптеру подачи воздуха 62. По седьмому каналу 63 передается сигнал для адаптера расхода генераторного газа, встроенного в корпус смесителя. Восьмой канал 64 соединен с адаптером 65, который управляет приводом шнекового питателя 37.

Цифро-аналоговый преобразователь 60 девятым каналом 66 связан с адаптером 67 подачи воды в стартерную камеру 57 для получения перегретого пара с помощью настраиваемого электронагревателя 68. Камера 57 механически соединена с камерой 69 диссоциации перегретого водяного пара, где под воздействием постоянного электрического поля высокого напряжения, создаваемого специальным силовым блоком 70 происходит диссоциация воды на водород и кислород. Входной фильтр механической очистки воды 71 с одной стороны восемнадцатой магистралью 72 связан с водопроводной сетью, а девятнадцатой магистралью 73 со входом теплообменника 27, выход которого двадцатой магистралью 74 связывает его с адаптером 67 подачи воды в стартерную камеру 57.

Электрический шит 34 десятым каналом 75 соединен с электронагревателем 68, одиннадцатым каналом 76 – со специальным силовым блоком 70, двенадцатым каналом 77 – с потребителями электроэнергии.

Автоматизированная энергетическая установка для утилизации органических отходов с получением из воды водорода и кислорода малой себестоимости работает следующим образом.

Перед началом работы энергетической установки в газогенератор 1 загружается необходимое количество запальной массы твердого топлива (бумага, стружка, измельченные сухие дрова, древесный уголь и т.д.) и выполняются операции розжига газогенератора.

Для обеспечения первоначальной температуры (старта) пиролизного процесса требуется принудительная вытяжка из корпуса газогенератора с помощью дымососа продуктов сгорания твердого топлива. Отвод продуктов сгорания (сырого газа и дыма) в процессе розжига осуществляется по дополнительному трубопроводу с выбросом их в атмосферу (минуя газодизель). При этом при транспортировке дыма на его пути предусматривается запорный клапан 18 канала газовой свечи 16. Газовая свеча запаливается с целью контроля качества вырабатываемого газа, в соответствии с требованиями по условиям работы газодизеля. Запуск газодизел 15 осуществляется на дизельном топливе для того, чтобы обеспечить электроэнергией от электрического генератора 35 электроприводы дымососа 10, наклонного шнекового питателя 37 подачи топлива (так называемые собственные нужды установки) и питание автоматизированной системы управления работой энергетической установки. Расходный бункер 2 газогенератора полностью (до верхнего уровня) заполняется с помощью наклонного шнекового питателя 37 древесным топливом. Затем наклонный шнековый питатель 37 отключается, а крышка люка 3 газогенератора закрывается. После выполнения пусковых операций управление процессами газогенератора переключается с ручного на автоматическое, а подача генераторного газа по третьей магистрали 12 перекрывается встроенным в смеситель 13 адаптером. Адаптер также управляется системой автоматизированного управления работой установки по седьмому каналу 63. Затем производится заполнение водой из теплофикационной сети шестая 19 и девятая 25 магистралей, и включается дымосос 10. Через дверку топочного устройства 4 поджигается подготовленное к розжигу древесное топливо, после чего дверка топочного устройства герметично закрывается. Древесное топливо в топочном устройстве 4 сгорает, создавая при этом зону активного процесса пиролиза. Через некоторое время, определяемое конструкцией газогенератора, поджигается генераторный газ в газовой свече 16.

При достижении устойчивого горения генераторного газа в газовой свече, газодизель переводится на газодизельный процесс, который на режиме запуска установки осуществляется с помощью органов ручного управления адаптером в смесителе.

При работе установки в штатном режиме генераторный газ из полости А по первой магистрали 6 проходит через первый теплообменник 7, к которому по шестой магистрали 19 поступает циркуляционная вода системы теплофикации (после нагрева она отводится по шестой магистрали 19 в систему В к потребителям тепла). После охлаждения до необходимого уровня он поступает на фильтр грубой очистки 8 от грязевых частиц.

Из верхней части фильтра грубой очистки 8 выведена вторая магистраль 9 для подачи охлажденного и предварительно очищенного газа к фильтру тонкой очистки 11 и к дымососу 10. Пройдя тонкую очистку в фильтре 11 генераторный газ по третьей магистрали 12 направляется к смесителю 13, связанному двенадцатой магистралью 30 с атмосферой. Полученная смесь генераторного газа с атмосферным воздухом по четвертой магистрали 14 подается в газодизель 15, в котором осуществляется её сгорание с использованием небольшой дозы запального дизельного топлива. Запальная доза подается штатным топливным насосом высокого давления 32, соединенного двенадцатой магистралью 31 с расходной цистерной 33.

Отработавшие газы газодизеля по одиннадцатой магистрали 29, пропущенной через третий теплообменник 22 по десятой магистрали 27 подаются на вход второго теплообменника 20 и охлажденные выбрасываются в атмосферу.

Циркуляционная вода теплофикационной системы теплостанции Б транспортируется с помощью циркуляционного насоса 24, вход которого девятой магистралью 25 связан с системой потребителей тепла ТЭС. Выход – восьмой магистрали 23 соединен со входом третьего теплообменника 22.

Циркуляционная вода из третьего теплообменника по седьмой магистрали 21 подается на вход второго теплообменника 20, где она нагревается до более высокой температуры отработавшими газами от газодизеля. Затем она по шестой магистрали 19 направляется через первый теплообменник 7 к потребителям тепла 26.

В режиме получении водорода и кислорода из воды она предварительно подогревается отработавшими газами газодизеля в четвертом теплообменнике 28. На вход теплообменника 28 по девятнадцатой магистрали 73 подается очищенная в фильтре 71 вода, которая поступает по восемнадцатой магистрали 72 из водопроводной сети. По двадцатой магистрали 74 вода направляется в адаптер ее подачи в стартерную камеру 57 устройства 58 для выработки водорода и кислорода. Там она превращается в перегретый пар с поддерживаемой системой автоматизации постоянной температурой 500-550°С.

Этот уровень температуры задается с помощью настраиваемого электронагревателя 68. Перегретый пар из стартерной камеры 57 подается в камеру диссоциации 69, где под воздействием постоянного электрического поля высокого напряжения (6000 В), создаваемого специальным силовым блоком 70, связанным для электропитания одиннадцатым каналом 76 с электрическим щитом 34. При функционировании этого комплекса устройств образуется водород и кислород. Электрощит 34 двенадцатым каналом 77 связан с электрической сетью потребителя.

Во время расходования (газификации) древесного топлива, первоначально размещенного в расходном бункере 2 газогенератора, система автоматизации непрерывно отслеживает его уровень в пределах – до установленного нижнего. Нижний (предельный) уровень определяется опытным путем для каждого конкретного типоразмера газогенератора. Для автоматического поддержания оптимального количества топлива в бункере газогенератор оборудуется датчиком уровня древесного топлива 54, который по третьему каналу 53 направляет поток информации о количестве топлива в расходном бункере 2. Данная информация поступает на аналогово-цифровой преобразователь 48, который служит для преобразования её в цифровую форму для передачи ЭВМ (микроконтроллеру) 47. Эта информация обрабатывается и анализируется ЭВМ, в результате чего вырабатывается соответствующий управляющий сигнал (код), который по пятому каналу 59 через цифро-аналоговый преобразователь (АЦП) 60 и далее через восьмой канал 64 поступает на адаптер 65.  Адаптер встроен в устройство электропривода шнекового питателя 37 и выполняет функцию включения или выключения подачи новой порции утилизируемого топлива.

Генераторный газ, вырабатываемый газогенератором 1, предназначен для замещения основной части дизельного топлива (до 90%), когда газодизель 15 работает при полной нагрузке. При  выводе энергетической установки на эксплуатационный режим газодизель в начальный момент расходует только дизельное топливо. Система автоматического управления включается в работу в тот момент, когда установкой достигается эксплуатационный уровень электрической нагрузки. При работе энергетической установки на эксплуатационном нагрузочном режиме требуется полное использование всей базы данных по наиболее значимым регулируемым параметрам основных агрегатов установки.

База данных системы автоматизации вносится в программу управления ЭВМ (микроконтроллера) 47 при пуско-наладочных операциях на заводе изготовителе и периодически обновляется на месте рядовой эксплуатации.

Одной из основных функций системы автоматизации является качественное обеспечение подачи расходуемого топлива на вход газодизеля. Это осуществляется через адаптер, встроенный в смеситель 13, которые и  обеспечивают необходимую подачу генераторного газа во впускной коллектор газодизеля 15. Следует отметить, что за счет такого управления обеспечивается наиболее оптимальная пропорция газа с воздухом во впускном тракте на входе в цилиндры газодизеля.

Больше, чем это требуется газодизелю для преодоления нагрузки, газа на впуске не подается. При работе газодизеля под нагрузкой, увеличение подачи генераторного газа сопровождается уменьшением цикловой подачи дизельного топлива вплоть до уровня минимальной (запальной), необходимой для устойчивой его работы.

При изменении электрической нагрузки на шинах электрогенератора, поток информации об этом процессе исходит от измерительного преобразователя активной мощности 50 . Вся информация по первому каналу 49 передается аналого-цифровому преобразователю 48. АЦП связан с ЭВМ (микроконтроллером) 47, с установленной в нем программой анализа этой информации и формирования управляющего сигнала для оптимальной корректировки количества подаваемого  генераторного газа в газодизель.

Первичный информационный сигнал передается по каналу 59 через ЦАП 60 и далее по каналу 63, на адаптер, встроенный в смеситель 13. Необходимый расход генераторного газа обеспечивается с одной стороны количеством подаваемого воздуха путем непрерывной настройки адаптера 62, который управляется программой ЭВМ (микроконтроллера) 47, соединенного пятым каналом 59 с цифро-аналоговым преобразователем 60, а последний – шестым каналом 61 с адаптером 62. Программой ЭВМ (микроконтроллера) 47 учитывается влияние качества получаемого генераторного газа и осуществляется коррекция управляющего сигнала управления адаптером 62 по поступающему потоку информации от датчика 52 частоты вращения коленчатого вал газодизеля 15, соединенного вторым каналом 51 и через аналого-цифровой преобразователь 48 с ЭВМ (микроконтроллером) 47.

Кроме того, система автоматизации энергетической установки позволяет оперативно осуществлять управление технологическим процессом получения из воды водорода и кислорода. Достигается это за счет использования потока информации, которая поступает от датчиков:

  • активной мощности (поз. 50);
  • изменяя расход воды (адаптера 67);
  • частоты вращения коленчатого вал газодизеля (52);
  • температуры водяного пара и др.

В зависимости от невостребованного потребителем количества электрической энергии (потенциальных энергетических возможностей установки), система автоматизации направляет этот избыток на устройство получения водорода и кислорода из воды. При этом автоматическое поддержание баланса энергии должно быть таким, чтобы расчетная нагрузка (по электрогенератору) оставалась постоянной и близкой к номинальной (или назначенной – эксплуатационной).

Предлагаемая конструкция энергетической установки для утилизации органических отходов с устройством получения из воды водорода и кислорода малой себестоимости и системой автоматического поддерживания постоянного режима нагрузки позволяет существенно повысить эффективность её использования в реальных условиях эксплуатации. Кроме тог она одновременно может обеспечивать потребителя как тепловой энергией от теплообменников, так и электрической от электрогенератора, при этом снижается  традиционная численность обслуживающего персонала энергетической установки и улучшаются экологические показатели при её эксплуатации.

 

Материалы приведенные в данной статье получены при выполнении НИР выполнения в рамках реализации ФЦП «научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы».

 

Источник: АмурЭко

Автор: Басаргин В.Д.

Просмотров: 1070