Системы охлаждения в электроэнергетике

Системы охлаждения в электроэнергетике

Единая энергетическая система России (ЕЭС России) обеспечивает нашу страну тепловой и электрической энергией, производимой АЭС и ТЭЦ. Однако, на территории Российской Федерации имеются регионы, которые не охвачены централизованным энергоснабжением. По разным подсчетам их процент составляет от 60 до 70 от общей площади государства. Количество людей, проживающих в отдалении от центров подачи энергии разного типа, составляет приблизительно 20 миллионов. Это значит, что большой процент населения просто не может получать все ресурсы, которые необходимы для обеспечения его нормальной жизнедеятельности.

Решению данной проблемы может помочь малая энергетика, которая включает в себя объекты с малой установленной мощностью, оснащаемые установками, генерирующими электрическую и тепловую энергию, использующими традиционные и нетрадиционные виды топлива. Такие установки могут быть как стационарными, так и передвижными, поэтому их применение в некоторых случаях является единственной разумной альтернативой централизованному энергоснабжению.

Стоимость электроэнергии, поставляемой централизованными электросетями, из года в год растёт, однако при этом качество поставляемой электроэнергии лучше не становится. В отдаленных районах, а также в сельской местности даже вблизи больших городов всё также нередко случаются перебои с электричеством, а также возникают проблемы с отклонениями от номинального (220 В) подаваемого напряжения. Причинами могут быть более низкое или чрезмерно высокое напряжение в электросети, причём эти отклонения зачастую превышают 10%, установленные ГОСТ 13109–97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ».

Вот почему установки автономного электроснабжения в виде малых тепловых электростанций постоянно совершенствуются и находят все более широкое применение. За последние 15 лет мировой, и, в частности, российский рынок установок такого рода, вырос почти вдвое. При этом технологии локальной генерации электроэнергии стали настолько совершенными, что себестоимость одного киловатт-часа электричества, вырабатываемого установками автономного электроснабжения, зачастую получается ниже, чем стоимость электричества, получаемого из централизованных электросетей

Системы генерации энергии обычно рассматриваются как тепловые двигатели для преобразования подводимой тепловой энергии в работу, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Подвод теплоты осуществляется за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа), а также биомассы, обработки ядерного топлива или получения тепловой энергии из возобновляемых источников энергии.

В настоящее время существуют генерирующие электроэнергию системы, применяющие различные силовые агрегаты: двигатели с искровым зажиганием (ДВС), двигатели с воспламенением от сжатия (дизель), паровые турбины, газотурбинные установки, электростанции с комбинированным циклом, атомные и гидроэлектростанции. Принцип работы всех электрогенерирующих систем заключается во вращении вала, с помощью которого приводится в движение электрический генератор, который преобразует вращательную механическую энергию вала в электрическую.

В автономных электрогенерирующих системах используются два типа силовых двигателей: поршневые и турбомашины. В поршневых машинах давление расширяющегося газа преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала. Турбомашины (турбины) преобразуют кинетическую энергию газа или жидкости непосредственно во вращение вала. Иными словами, все электрогенерирующие системы представляют собой термомеханические преобразователи энергии, каждый из которых работает по своему определенному термодинамическому циклу.

Силовыми агрегатами, или приводами электрических генераторов для автономных малых тепловых электростанций, могут быть дизельные, газопоршневые, микротурбинные и газотурбинные двигатели.

Дизель-генераторные установки (ДГУ)

Дизельные поршневые двигатели, применяемые для электрогенерирующих установок, отличаются от классических двигателей внутреннего сгорания (ДВС) принципом воспламенения рабочий смеси в цилиндре. В дизельных двигателях воспламенение рабочей смеси происходит от сжатия, тогда как в ДВС, от внешнего источника. Более высокий, по сравнению с двигателями с искровым зажиганием, тепловой КПД дизельных двигателей сделал их наиболее предпочтительными для выработки электроэнергии в малых электрогенерирующих установках или для электростанций средней мощности.

Автономное производство электроэнергии с использованием ДВС стало популярным в последние четыре десятилетия. Электрогенерирующие установки представляют собой комбинацию дизельного двигателя с электрическим генератором переменного тока. Такие установки используются в качестве резервного или аварийного источника электропитания в больницах, аэропортах, банках, ЦОДах и т.п., то есть там, где жизненно важно поддерживать бесперебойную подачу электроэнергии. Эти небольшие электростанции, обеспечивают надежное электроснабжение в любое время и при любых погодных условиях. В настоящее время около 10-15% от общей установленной мощности в мире приходится на производство электроэнергии с помощью тепловых двигателей различного типа.

Дизельный двигатель обычно предназначен для работы на дизельном топливе, но некоторые типы адаптированы для других видов жидкого топлива или природного газа. Комбинация дизельного двигателя, электрического генератора и различных вспомогательных устройств, таких как: рамное основание, навес, шумоглушащие панели, системы пуска и управления, автоматические выключатели, система охлаждения рубашки двигателя, определяется как «генераторная установка» или, в данном случае «дизельная генераторная установка», для краткости «ДГУ».

ДГУ варьируются в зависимости мощности и генерируемого напряжения. Например, установки мощностью от 8 до 30 кВт (также от 8 до 30 кВА, однофазные) предназначены для индивидуальных жилых домов, небольших магазинов и офисов. Более крупные ДГУ представляют собой промышленные генераторы электроэнергии мощностью от 8 кВт (11 кВА) до 2000 кВт (2500 кВА, трехфазные), используемые для больших офисных комплексов, производственных и других промышленных объектов, включая центры обработки данных (ЦОД).

Установка мощностью 2000 кВт может быть размещена в контейнере ISO 40 футов (12 м) с топливным баком, элементами управления, оборудованием для распределения энергии и всем другим оборудованием, необходимым для работы в качестве автономной электростанции или в качестве резервного источника сетевого электропитания. Эти агрегаты, называемые силовыми модулями, представляют собой генераторные установки на больших трехосных прицепах общим весом порядка 40 тонн, или более. Комбинация этих модулей используется для небольших электростанций, и они могут использовать от одного до 20 блоков, объединенных между собой кабелями управления, образуя синхронизированную силовую установку.

ДГУ могут оснащаться различными опциями в зависимости от конкретных условий эксплуатации, как например:
• панели управления для автозапуска и параллельного подключения к стационарной электросети;
• акустические кожухи для стационарных или мобильных установок;
• вентиляционное оборудование;
• системы подачи топлива и отвода теплоты выхлопных газов;
• системы охлаждения двигателя.

Для небольших дизель-генераторных установок с выходной мощностью от 1 кВт до 125 кВт в основном используются среднеоборотные дизельные двигатели, работающие с частотой вращения 1500 об/мин, как с воздушным, так и с водяным охлаждением.

Как правило, дизельные двигатели имеют КПД около 35%, поэтому остальная часть потребляемой энергии тратится впустую. Несмотря на постоянные модернизации конструкции дизельных двигателей, имеющих целью улучшение их эффективности, значительное количество энергии все еще выбрасывается в окружающий воздух вместе с выхлопными газами. Например, в двигателях с водяным охлаждением около 25% и 40% подводимой энергии тратится на циркуляцию охлаждающей жидкости и выхлопные газы соответственно. В результате исследований было обнаружено, что для типичного 3,0-литрового двигателя с максимальной выходной мощностью 115 кВт, в диапазоне обычного режима работы двигателя, общая рассеиваемая отработанная теплота может варьироваться от 20 кВт до 40 кВт.

Газопоршневые установки (ГПУ)

Также как и дизель-генераторные установки, это оборудование предназначено для автономной электрификации различных объектов. В отличие от ДГУ, силовой агрегат газопоршневой установки работает по циклу Отто, то есть представляет собой классический двигатель внутреннего сгорания, с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючей смеси в камере сгорания. Энергия, выделившаяся при сгорании топлива в газовом двигателе, производит механическую работу вращающегося вала, которая используется для выработки электроэнергии генератором электрического тока. Газовые двигатели используются для работы в составе генераторных установок, предназначенных для постоянной или периодической работы (пиковые нагрузки), а также в качестве аварийных источников электрической и тепловой энергии, обеспечивая обслуживаемые объекты электричеством и горячей водой.

Современные дизельные и газопоршневые установки могут иметь различные модификации и исполнения. Они различаются по следующим параметрам.
• По способу защищенности от воздействия атмосферы: контейнерные, кузовные, капотные, безкапотные;
• По способу установки: стационарные или передвижные (мобильные);
• По способу перемещения: блочно-транспортабельные, на раме-салазках, на автомобиле, на полуприцепе, на прицепе.

Процесс получения двух видов энергии, тепловой и электрической, называется «когенерация». В том случае, если в газопоршневых электростанциях используется технология, позволяющая получать ещё и холод, который используется в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха, то данная технология называется «тригенерация».

Газовые двигатели могут использовать различные виды топлива:
• магистральный природный газ;
• газы с низкой теплотворной способностью и низкой степенью детонации;
• газы с невысоким содержанием метана или газы с высокой теплотворной способностью.

Некоторые ГПУ могут перенастраиваться для работы с одного вида газа на другой. Кроме того, имеется возможность применения двигателей, работающих одновременно на жидком и газообразном видах топлива. Они могут работать на пропан-бутановых смесях, на природном газе (сжиженном, сжатом, магистральном), на попутном нефтяном газе, на различных промышленных газах (пиролизном, коксовом, биогазе, шахтном, газе сточных вод и т.д.).

Помимо силового агрегата и электрогенератора газопоршневые установки включают в себя также и другие системы:

Дизельные генерирующие установки (ДГУ) и газопоршневые установки (ГПУ), имеющие в своем составе поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают следующей особенностью. Технологический минимум загрузки составляет порядка 30…40% от номинальной мощности, что особенно критично при комбинированном режиме работы. То есть, режимы работы ГПУ часто меняются из-за непостоянства температуры и давления наружного воздуха, а также из-за возможного изменения нагрузки потребителя. При комбинированном режиме работы допускается эксплуатация ДГУ и ГПУ с загрузкой генератора от 20% до 40% от номинальной мощности, но не чаще 6 раз в год и на срок до 24 часа.

Газотурбинные установки (ГТУ)

Основой газотурбинных установок (ГТУ) является газовая турбина, устроенная по принципу реактивного самолетного двигателя. Она представляет собой цилиндрическую камеру сгорания, в которой размещено основное рабочее колесо газовой турбины. В камеру поступают воздух и пары топлива под высоким давлением, где они воспламеняются. В процессе сжигания топлива образуется поток раскаленных газов, который воздействует на лопатки турбины, создавая крутящий момент. Турбина в свою очередь передает вращение на компрессор и электрогенератор, обеспечивая, таким образом выработку электроэнергии. Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок находится в диапазоне от десятков кВт до десятков МВт.

Характерно, что турбинные электростанции производят тепловой энергии почти вдвое больше, чем электрической. Поэтому их часто используют как составляющую ТЭЦ путем установки в системе удаления выхлопных газов котла-утилизатора, что позволяет не только вырабатывать электроэнергию, но и обеспечивать теплоснабжение обслуживаемого объекта в требуемом объеме и по минимальной стоимости.

Современные газотурбинные установки (ГТУ) подразделяются на два основных типа:
• Установки, созданные на базе авиационных реактивных газотурбинных двигателей;
• Установки, созданные специально для применения в энергетике.

ГТУ на базе авиационных двигателей имеют минимальные массогабаритные характеристики, отличаются технологичностью обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но также и меньшим сроком эксплуатации.

Если среди установленных на рынке ГТУ в диапазоне мощностей от нескольких мегаватт до 15…20 МВт преобладают авиационные генераторы, то в диапазоне мощностей свыше 100 МВт применяются специализированные ГТУ, специально разработанные для энергетической промышленности.

Газопоршневые установки имеют меньший, чем газотурбинные удельный расход топлива на выработанный кВт•ч, причем при любом нагрузочном режиме. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36 ~ 45%, а газовых турбин - 25 ~ 34%.

С точки зрения экономичности КПД привода ГПУ мало меняется при нагрузке от 100% до 50% мощности, тогда как КПД привода ГТУ резко снижается при частичных нагрузках. Однако, работа ГТУ при частичных нагрузках (менее 50%) не влияет на состояние турбины при высокой единичной мощности агрегата, тогда как для ГПУ, при меньшей единичной мощности агрегата, не желательна долгая работа при нагрузках менее 50%, поскольку это сильно влияет на интервалы для технического обслуживания.

Нижний предел минимальной электрической нагрузки, официально заявляемый заводами-производителями турбин, составляет 3–5%, но в таком режиме расход по топливу возрастает на 40%. Максимальная нагрузка газотурбинной установки, в ограниченных временных интервалах может достигать 110-120%.

Поведение газотурбинных установок при изменении нагрузки имеет ряд особенностей, отличающих их от других энергетических установок:
1. Резкое падение КПД при снижении нагрузки является существенным недостатком, присущим особенно энергетическим ГТУ. ГТУ, созданные на базе авиационных двигателей, располагают более развитым механизмом управления лопаточным аппаратом компрессора, что частично нивелирует этот недостаток. Кроме этого, возможность управления частотой вращения вала турбины позволяет поддерживать оптимальный уровень КПД. Тем не менее, весьма проблематично эффективное использование ГТУ в диапазоне нагрузок ниже 5060%.
2. Высокая эффективность и минимальное время выхода на рабочий режим является достоинством ГТУ. Даже для крупных газотурбинных установок время выхода на полную мощность измеряется десятками минут, в отличие от применяемых на стационарных ТЭЦ паротурбинных установок, где процесс пуска из холодного состояния занимает десятки часов. 3. Большинство ГТУ обладают способностью к перегрузке, т.е. увеличению мощности сверх номинальной, что достигается путем повышения температуры рабочего тела турбины.

Газотурбинная установки состоит из следующих компонентов:
• силовая турбина;
• электрический генератор;
• газовоздушный тракт;
• система управления;
• вспомогательные устройства (пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котел-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного использования).

Силовая турбина и генератор размещаются в одном корпусе. Использование теплоты выходящих из турбины газов посредством теплообменника обеспечивает увеличение общего КПД газотурбинной установки.

Оптимальным режимом работы ГТУ является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии (когенерация).

Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации или тригенерации (одновременная выработка электрической, тепловой энергии и энергии холода).

Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33-39%. С учетом высокой температуры выхлопных газов в ГТУ, комбинированное использование для энергоснабжения объектов газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57-59%.

Газотурбинные установки предназначены для эксплуатации на объектах производственного или бытового назначения в качестве основного или резервного источника электрической и тепловой энергии в любых климатических условиях. Степень автоматизации ГТУ позволяет отказаться от постоянного присутствия в блоке управления обслуживающего персонала.

Область применения газотурбинных установок практически не ограничена. ГТУ применяются в:
• нефтегазодобывающей промышленности;
• металлургии;
• различных отраслях легкой промышленности;
• коммерческих и муниципальных ТЭЦ.

В ГТУ могут использоваться различные виды газообразного и жидкого топлива:
• дизельное топливо;
• керосин;
• природный газ;
• попутный нефтяной газ (ПНГ);
• биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.);
• шахтный газ;
• коксовый газ;
• древесный газ и др.

Дезинфекция воздуха в системах вентиляции и кондиционирования

Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийном топливе с минимальной концентрацией метана (до 30%). В связи с чем, возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает их быструю окупаемость.

Преимуществом при использовании ГТУ непосредственно в местах проживания людей, является то, что содержание вредных выбросов у них минимально и находится на уровне 9-25 промилле. Этот показатель у газотурбинных значительно ниже, чем у поршневых электростанций. При использовании ГТУ потребитель может получить существенную экономию средств на катализаторах и при строительстве дымовых труб.

Системы дезинфекции теплообменников охладителей вентиляционных установок считаются одними из наиболее эффективных способов ультрафиолетового излучения, в основном благодаря тому факту, что они позволяют экономить энергию. Ультрафиолет может очищать поверхности теплообменников от микробиологических загрязнителей в виде отложений грибковых спор и бактерий. При этом снижается сопротивление воздушному потоку, и, соответственно, потребление энергии, с одновременным уменьшением количества инфекций, передающихся в обслуживаемые помещения по загрязненным элементам вентиляционного оборудования и вентиляционных каналов.

Современные газотурбинные установки отличает высокая эффективность, технологичность и надежность. Они сочетают в себе отличные технические и эксплуатационные характеристики, созданные для генерации электрической и тепловой энергии высокого качества из газообразного и жидкого топлива при минимальных экологически вредных выбросах. Применение инновационных технологий, защищенных более чем 100 патентами, позволяет получать тепловую и электрическую энергии по ценам более чем в 2-3 раза ниже сетевых тарифов, а также получать холод для систем кондиционирования и холодоснабжения практически бесплатно.

Системы охлаждения ГТУ

С момента появления первых турбогенераторов (почти 100 лет назад), вместе с другими характеристиками этих устройств усовершенствовалась и конструкции систем их охлаждения. Примерно пятьдесят лет назад системы охлаждения перешли от воздуха к водороду и даже к воде для прямого охлаждения статора и ротора генератора, поскольку эти среды оказались более эффективными теплоносителями. Тем не менее, разработки генераторов с воздушным охлаждением продолжалась, время от времени стимулируемые повышением номинальных характеристик газовых турбин, как наиболее распространенного силового агрегата, для этого типа генераторов.

Хотя воздух является самым простым в обращении теплоносителем, он имеет относительно небольшую охлаждающую способность. Например, теплопроводность водорода в семь раз выше, чем у воздуха. При этом плотность водорода составляет всего одну десятую от плотности воздуха при одинаковом абсолютном давлении и объемной удельной теплоемкости. С другой стороны, генераторы с водородным охлаждением имеют более сложную конструкцию, поскольку, в отличие от генераторов с воздушным охлаждением, они требуют более прочного герметичного корпуса, специальной системы уплотнений вала и наличия дополнительных устройств подготовки охлаждающего газа.

Именно здесь воздушное охлаждение имеет свое первое преимущество: более низкие капитальные затраты несмотря на то, что блок с воздушным охлаждением имеет большие массогабаритные характеристики при той же установленной мощности. Более того, обслуживание машины с воздушным охлаждением намного технологичнее и, следовательно, более экономично, чем у машин с водородным и водяным охлаждением. Частично это связано с обучением обслуживающего персонала, которое требуется для эксплуатации генераторов с водородным охлаждением.

Еще одно преимущество агрегатов с воздушным охлаждением заключается в том, что, поскольку для капитального ремонта требуется меньше времени, увеличивается их эксплуатационная готовность. Напротив, для машин с водородным охлаждением необходимы сложные процедуры продувки диоксидом углерода перед разгерметизацией корпуса и после заправки при повторном заполнении водородом. Несмотря на более низкий КПД турбогенератора с воздушным охлаждением, указанные преимущества в большинстве случаев приводят к значительной экономии затрат.

Сравнение ГПУ и ГТУ

Сравнение турбинных и поршневых двигателей для применения на мини-ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин наиболее выгодна на крупных промышленных предприятиях, которые имеют значительные (больше 1012 МВт) электрические нагрузки, собственную производственную базу, высококвалифицированный персонал, подключение газового трубопровода высокого давления.

Газотурбинная установка способна отдать в 1,5 раза больше бесплатной тепловой энергии, нежели поршневой агрегат аналогичной мощности. При использовании мощной (от 50 МВт) автономной ТЭЦ в коммунальном хозяйстве, например, это может иметь определяющее значение при выборе типа силовых агрегатов, особенно при большом и равномерном потреблении именно тепловой энергии.

Однако, там, где тепловая энергия в больших количествах не требуется, а нужен акцент именно на производстве электрической энергии, будет экономически целесообразнее использование газопоршневых установок.

Методы охлаждения энергетических установок

Эксплуатация дизель-генераторных (ДГУ) или турбогенераторных установок, применяемых в качестве основного или резервного оборудования для выработки электрической и тепловой энергии, предъявляет определенные требования к окружающей среде внутри стационарного или передвижного помещения, в котором они расположены.

В первую очередь — это шумоизолированность, пыленепроницаемость и температура рабочей среды. Для обеспечения температуры рабочей среды таких установок решающее значение имеет система вентиляции. Система вентиляции решает задачи по защите оборудования от пыли и подаче свежего воздуха, необходимого для его работы. Кроме этого, система вентиляции является одним из способов отвода избыточной теплоты, неизбежно возникающей в процессе работы энергетических установок.

Помещение, в котором установлена энергетическая установка должно располагаться как можно дальше от жилой зоны, чтобы снизить воздействие на жителей шума и выхлопных газов. Помещение для энергоустановки, насколько это возможно, должно быть построено на открытой площадке, чтобы облегчить свободный доступ обслуживающего персонала, вентиляцию и отвод в окружающее пространство теплоты от всех элементов силового агрегата.

Вентиляция помещений для энергетических установок

Одним из предназначений системы вентиляции машинного зала является обеспечение защиты от проникновения пыли через ограждающие конструкции. При проектировании машинного зала в соответствии с реальной ситуацией необходимо рассчитать производительность и параметры системы вентиляции, и, в частности, устройств подачи и удаления воздуха. Подача воздуха системой вентиляции необходима для сгорания топлива в силовом агрегате, а также для отвода от агрегата избыточной теплоты. Сумма этих двух величин и определяет производительность системы вентиляции машинного зала мини электростанции. Следует иметь в виду, что это значение будет увеличиваться по мере повышения температуры внутри машинного зала.

При проектировании особое внимание следует уделить вентиляции машинного зала для дизель-генераторной установки, особенно если машинный зал находится в подвале, в противном случае недостаточный расход свежего воздуха может напрямую повлиять на работу дизель-генераторной установки. Вытяжной воздух из машинного зала, как правило, должен отводиться в воздуховоды для горячего воздуха. Следует ограничить количество теплоты, рассеиваемой от расположенного в машинном зале радиатора дизельного двигателя, и тем самым не допускать повышения температуры внутри помещения.

Существуют два основных способа охлаждения дизель-генераторов, газопоршневых и газотурбинных силовых установок: воздушное охлаждение и водяное охлаждение. Практически эти системы охлаждения очень похожи на аналогичные системы охлаждения двигателей наземных транспортных средств. Воздушное охлаждение обычно реализуется системой вентиляции машинного зала, за счет замещения нагретого воздуха холодным наружным воздухом в количестве, требуемом для поддержания постоянной температуры в помещении.

В мобильных системах производства электроэнергии присутствует множество механических, электрических и электронных подсистем. С теплотой, генерируемой этими подсистемами, необходимо также считаться, чтобы повысить эффективность и надежность функционирования всей системы электроснабжения, и предотвратить преждевременный выход из строя силовых агрегатов.

Кроме того, применение новых технологий при производстве мобильных систем генерации электрической и тепловой энергии позволяет значительно улучшить их акустические характеристики. Основными аспектами при проектировании системы вентиляции машинного зала являются: охлаждающий воздух и воздух для горения. Охлаждающий воздух — это поток воздуха, который отводит лучистую теплоту от двигателя, генератора, другого оборудования и компонентов, расположенных в машинном зале.

Сведения, которые необходимо учитывать при проектировании системы воздушного охлаждения генераторной установки, приведены в Таблице 1.

Примеры систем вентиляции помещений с энергоустановками

При проведении расчета параметров системы вентиляции необходимо учитывать направление воздушного потока. Приточный наружный воздух поступает в машинное отделение через систему воздуховодов. Эти воздуховоды должны быть проложены на уровне пола между генерирующими агрегатами, если их в помещении несколько единиц, и обдувать нижнюю часть двигателя и генератора, как показано на Рисунке 2. Вытяжные вентиляторы должны устанавливаться в самой высокой точке машинного зала. Они должны находиться прямо над источниками теплоты. Температура воздуха в вытяжном воздуховоде оказывается выше температуры воздуха в машинном зале. Такая система вентиляции обеспечивает наилучший воздухообмен с минимальным потреблением наружного воздуха. Кроме того, восходящий от двигателя поток воздуха служит экраном, который сводит к минимуму количество теплоты, выделяемой в объем машинного зала.

В силовых модулях обычно используются дизель-генераторные установки с радиаторным охлаждением. Кожух двигателя силового модуля выделяет теплоту, которая отводится в установленный непосредственно на двигателе радиатор, снижая температуру охлаждающей жидкости на 8–10°C.

В системе охлаждения электрогенерирующего модуля с радиатором не рекомендуется использовать воздушные жалюзи, которые открываются из-за давления нагнетания вентилятора радиатора. Дождь, лед и снег за короткое время могут вывести их из строя и привести к перегреву и остановке двигателя. Не следует дожидаться открытия жалюзи до тех пор, пока двигатель не прогреется. При аварийном включении дизель-генератора, он загрузится и прогреется практически мгновенно, и потребует полного воздушного потока. Система автоматического пуска и управления работой генератора откроет воздушные жалюзи, как только двигатель запустится. Однако, следует помнить, что применение для этого датчиков температуры усложняет систему управления, поскольку их неисправность может уменьшить поток воздуха к двигателю, и вызвать его остановку.

Система охлаждения двигателя с помощью радиатора, установленного на двигателе (Рис.3), состоит из теплообменника (радиатора), водяного циркуляционного насоса, вентилятора с приводом от двигателя, которые монтируются на заводе-производителе непосредственно на двигателе генераторной установки. Этот способ охлаждения двигателя является наиболее экономичным, но может потребовать бóльших размеров вентиляционных отверстий и каналов. Дополнительным преимуществом такой конструкции является то, что подаваемый наружный воздух удаляет теплоту, излучаемую кожухом двигателя, генератором и другим оборудованием системы автономного электропитания, расположенным в помещении машинного зала.

Идеальным вариантом для системы воздушного охлаждения было бы расположение впускных отверстий таким образом, чтобы относительно чистый, прохладный и сухой воздух проходил бы через электрическое распределительное устройство, генератор и двигатель. Затем воздух втягивается вентилятором радиатора, продувается через радиатор и удаляется по воздуховодам за пределами машинного зала. Размеры воздухозаборных отверстий должны быть такими, чтобы минимизировать ограничение расхода воздуха и обеспечивать количество воздуха, необходимое для вентилятора радиатора, и воздуха для сгорания топливной смеси в двигателе. Следует также иметь в виду и прочие устройства, которые могут использоваться в данном помещении и требовать охлаждения. В системах с охлаждением радиатора, установленного на двигателе, вентилятор должен иметь статическое давление порядка 60 Па.

Воздухозаборные отверстия в помещении машинного зала должны располагаться таким образом, чтобы свести к минимуму попадание выхлопных газов и других внешних загрязняющих веществ в помещение. Кроме того, при выборе места расположения входных и выходных воздушных отверстий, должно быть учтено направление преобладающего ветра в данной местности и ограничения по уровню шума. На впуске и выпуске воздуха следует использовать жалюзи с электроприводом или гравитационные жалюзи соответствующих конструкций и размеров, с минимальными значениями падения статического давления.

Количество свежего воздуха, необходимого для поддержания температуры в помещении, рассчитывается по следующей формуле:

C = 0,078*P*ΔT, где:

C - требуемый объем свежего воздуха (м³/с), P - номинальная мощность дизельного двигателя (кВт), ΔT – максимально-допустимое повышение температуры в машинном зале (°C).

Радиатор системы охлаждения двигателя можно установить дистанционно. В системе охлаждения с выносным радиатором используется радиатор того же типа, что и радиатор, устанавливаемый непосредственно на двигатель, за исключением того, что он устанавливается в другом помещении или снаружи, но в непосредственной близости от генераторной установки. Выносной радиатор можно устанавливать как вертикально, так и горизонтально. Обычно для подачи охлаждающего воздуха выносной радиатор имеет вентилятор с электрическим приводом, который должен быть подключен к аварийному источнику электропитания. (Рис.4)

Имеющие электропривод механические заслонки в системе отвода выхлопных газов, должны быть подключены к резервному источнику электропитания, и открываться при каждом запуске генератора.

На агрегатах с выносным радиатором воздушные вытяжные жалюзи должны функционировать по температуре. Поскольку все жалюзи имеют определенное сопротивление потоку воздуха, то для обеспечения надлежащего воздушного потока площади сечения отверстий с установленными жалюзи должны быть как минимум в два раза больше площади сечения свободного отверстия. Размеры радиатора и охлаждающего вентилятора должны быть такими, чтобы обеспечивать требуемую охлаждающую способность при приемлемом уровне шума.

В системах охлаждения с выносным радиатором отсутствует вентилятор с приводом от двигателя. В этом случае при проектировании системы вентиляции должны быть обеспечены средства подачи в машинный зал необходимого расхода воздуха и его отвода с помощью вентилятора с электрическим приводом. Этот вентилятор может быть расположен в отверстии для подачи или вытяжки воздуха. Если при проектировании предполагается установить вентилятор на стороне вытяжки воздуха, необходимо соблюдать осторожность, чтобы не создать в помещении отрицательное давление и не лишить двигатель нужного для горения топлива расхода воздуха.

В некоторых случаях электрический радиатор и узел глушителя, установленного на выхлопной трубе, размещают совместно за пределами машинного зала. Такое решение пользуется популярностью в регионах с холодным климатом, где возникает необходимость уменьшать расход подаваемого в машинный зал наружного воздуха при снижении его температуры. При таком расположении устройств (Рис.5) требуется только воздух для горения топлива и очень небольшое количество охлаждающего воздуха из вентиляционного отверстия на стене для компенсации радиационной теплоты, выделяемой корпусом двигателя.

Для подачи охлаждающей жидкости в выносной радиатор может использоваться насос, установленный непосредственно на двигателе. Потери напора от трения в системе трубопроводов между двигателем и выносным радиатором должны быть рассчитаны при проектировании системы и не должны превышать значение напора насоса двигателя. Если в системе используется вспомогательный насос, он должен быть подключен к системе аварийного электропитания.

Методы охлаждения теплоэнергетических установок

Все виды производства энергии потребляют воду либо для обработки материалов, используемых при возведении объекта, либо непосредственно для выработки электроэнергии. Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрическая, солнечная и ветровая энергия, которые практически не требуют применения воды для производства энергии, требуют воду для обработки материалов для производства компонентов систем генерации электроэнергии.

Пресную воду, которую можно либо использовать многократно, либо потреблять единовременно, можно разделить на поверхностную и грунтовую. Вода, применяемая на термоэлектрических станциях для охлаждения, считается использованной многократно, если она не уменьшает подачу воды другим потребителям, то есть вода, которая забирается и возвращается в тот же источник, например в реку. Хотя, использованная в системе генерации электроэнергии вода и возвращается обратно в источник (водоем) для использования другими потребителями, она некоторым образом деградирует, в основном из-за термического или химического загрязнения.

Вода потребляется, когда она полностью удаляется из источника (водоема), например, при испарении или потреблении ее растениями или людьми. Все эти факторы необходимо учитывать при оценке требуемого для энергетических установок количества воды, что весьма затрудняет определение точного объема воды для конкретного объекта.

Эксплуатация водораспределительных систем и систем распределения электроэнергии, например, в условиях ограниченной доступности электроэнергии и воды является важным фактором повышения общей устойчивости водно-энергетической связи. Потребление воды для производства электроэнергии в разных странах учитывается по-разному. Из-за большого количества воды, необходимого для охлаждения электростанций, и в свете прогнозируемого роста потребления энергии в ближайшие годы, необходимо обращать повышенное внимание на использование связанных с производством электроэнергии водных ресурсов. Это необходимо для того, чтобы оптимизировать конструкции энергетических установок с меньшим потреблением воды как более предпочтительные, даже если требуемые капитальные затраты будут значительно выше.

Охлаждающая вода для производства электроэнергии используется электростанциям следующим образом.

На большинстве ТЭЦ имеется два водяных контура:
• технологический контур;
• контур охлаждения термоэлектрических установок.

Термоэлектрические электростанции обычно либо сжигают ископаемое топливо, либо используют контролируемую ядерную реакцию для генерации пара, который вращает турбину, соединенную с генератором. На Рисунке 6 этот процесс представлен пунктирной линией. Потребность в воде в этом контуре минимальна. В этом технологическом контуре вода представляет собой рабочее тело, а не теплоноситель. В технологическом контуре вода постоянно циркулирует, изменяя свое фазовое состояние из жидкости в пар и обратно. Превратившись в пар, вода вращает турбину, а затем проходит через конденсатор, в котором пар превращается обратно в воду. Конечно, в этом процессе имеются некоторые потери воды, которые по мере необходимости восполняются. Для того, чтобы пар превратился в воду, необходимо отвести большое количество теплоты. Чаще всего это делается с помощью контура с охлаждающей водой.

Охлаждающая вода отводит тепловую энергию от пара, тем самым превращая его в воду. В теплообменнике с раздельными контурами для технологической и охлаждающей воды эти два потока не смешиваются. На Рисунке 6 контур охлаждающей воды представлен сплошной синей линией. Основными технологиями охлаждения, использующими воду для охлаждения в этом бесконтактном теплообменнике, являются: • вариант с прямоточным охлаждением (открытым контуром охлаждения), и • с замкнутым контуром (с градирней).

Преимущества и недостатки каждого из двух вариантов приводятся в нижней части Рисунка 6. Точное количество необходимой охлаждающей воды для термоэлектрических установок зависит от типа используемого источника энергии, технологии охлаждения, эффективности установки, температуры и относительной влажности окружающей среды. Некоторые проблемы с учетом данных по использованию охлаждающей воды для термоэлектрических установок представлены и рассмотрены ниже.

Различие понятий «использование» и «потребление» воды

В зависимости от реализуемого варианта охлаждения термоэлектрической установки вода, забираемая из источника (например, водоема), может в основном либо испаряться, либо возвращаться обратно в источник воды. В Таблице 2 представлены приблизительные (без учета температуры окружающей среды или эффективности установки) данные для двух вариантов системы охлаждения по использованию и потреблению воды для различных типов установок.

В связи с этим оказывается неверным представление о том, что высокие значения расхода воды при ее использовании сопровождается столь же высокими значениями ее потребления. Например, в ситуациях, когда используется прямоточное охлаждение (разомкнутый контур), необходимо иметь большие объемы воды, чтобы удовлетворить потребности отвода теплоты. Большая часть этой воды возвращается обратно в водоем, например в реку. Эта вода будет доступна другим пользователям, которые находятся ниже по течению реки, и которые получают или могли бы получить свою выгоду от этой возвратной воды. Напротив, установка, использующая охлаждение с замкнутым контуром, требует очень мало воды для работы, но вода, которую она забирает, не возвращается в систему водоснабжения (водоем).

И наоборот, существует также неправильное представление о том, что из-за быстрого возврата воды из прямоточных систем охлаждения с открытым контуром весь расход охлаждающей воды не является ее потреблением. Это заблуждение, вероятно, связано с тем, что при использовании для охлаждения открытого контура (так называемое «прямоточное охлаждение») воду извлекают из источника, пропускают ее через конденсатор и сразу же после этого возвращают обратно в источник воды (чаще всего в водоем). Вследствие этого прямоточное охлаждение не создает прямого потребления воды, хотя при этом можно ожидать некоторого повышения температуры воды, что вызывает дополнительное испарение воды в принимающем водоеме.

Это косвенное испарение, также называемое «тепловым загрязнением», не произошло бы, если бы рассматриваемая электростанция не повысила температуру воды, и, следовательно, это количество испарившейся воды считается ее потреблением, а соответствующие затраты должны быть отнесены на счет электростанции. На первый взгляд может показаться, что косвенное испарение воды невелико, однако, оно становится значительным из-за большого расхода воды, необходимого для работы системы прямоточного охлаждения.

По данным EUROSTAT за 2010 год в нескольких развитых странах объем используемой для охлаждения термоэлектрических установок воды может достигать свыше 50% от общего объема воды, извлекаемых из источников в данной стране.

Хорошо известно, что в ближайшие годы численность населения и урбанизация продолжат расти. Оба эти фактора подразумевают увеличение потребности в электроэнергии. Однако, рост спроса на электроэнергию не обязательно означает рост потребности в воде, поскольку проектирование новых электростанций с использованием возобновляемых источников энергии или термоэлектрических станций с использованием, например, морской воды, а также применение систем охлаждения с замкнутым контуром или других технологий, может существенно сократить удельное потребление воды на единицу производимой электроэнергии.

В большинстве промышленно развитых стран наблюдается тенденция к проектированию электростанций с замкнутым контуром, с применением сухих градирен, иногда оснащаемых контурами адиабатного водяного охлаждения. Эта технология является дорогой и нишевой технологией, в которой для охлаждения технологической воды используется воздух вместо воды), что позволяет значительно сократить потребность в использовании воды на киловатт-час вырабатываемой энергии. В странах с низким уровнем дохода, особенно в тех, где отсутствует физический дефицит воды, наиболее часто встречаются системы прямоточного охлаждения, поскольку в этом случае капитальные затраты на возведение электростанции ниже, и практически отсутствует экологическое регулирование в отношении теплового загрязнения водоемов.

Системы охлаждения теплоэнергетических установок

Если двигатель оснащен системой жидкостного охлаждения, для нормального отвода теплоты потребуется теплообменник, в котором поток охлаждающей жидкости двигателя будет отдавать свою тепловую энергию теплоносителю, который выбрасывает эту теплоту в окружающую среду. Отвод избыточной теплоты осуществляется при помощи теплообменного оборудования, применяемого в определенных условиях, а именно:
• открытая (мокрая) градирня;
• закрытая градирня;
• сухая градирня (драйкулер);
• сухая градирня с системой орошения (испарительного охлаждения);
• градирня гибридного типа.

Зачастую в системах охлаждения используется промежуточных теплообменник, который позволяет разделить систему на 2 контура для обеспечения её высокой надежности и эффективности. Системе также потребуется надежный метод автоматического запуска и остановки потока охлаждающей воды, синхронизированный с пуском и остановкой двигателя генераторной установки.

Заключение

В целом вопросы теплопередачи являются одними из самых сложных задач в управлении температурой, которая напрямую влияет на стоимость, надежность и производительность электрогенерирующих установок, а также на расход топлива и другие эксплуатационные затраты. Все более сложные системы регулирования и управления работой таких установок влекут за собой все более серьезные задачи, для решения которых применяются новейшие и эффективные методы и технологии терморегулирования.