Для биогазовых генераторов используют серийные газодизельные двигатели внутреннего сгорания, при этом в сжатую смесь из газа и воздуха через сопла вбрызгивания подают небольшое количество пусковой жидкости. Это делают не только при запуске и прогреве двигателя на холостом ходу, а постоянно. В качестве пусковой жидкости как правило используют легкий мазут, количество которого может колебаться в пределах 4-30%, причем большее его содержание соответствует для работы с низкой нагрузкой.
Поскольку пусковая жидкость до последнего времени всегда имела ископаемое происхождение, то для поставляющих электроэнергию компаний иногда возникали проблемы с оплатой электроэнергии, когда процент пусковой жидкости был слишком высоким. Хоть юридически и не требуется, но рекомендуется ограничить потребление пусковой жидкости до уровня 10% от общего потребления топлива (пусковая жидкость и биогаз), поскольку лишь ее содержание в таком количестве акцептируется поставляющими электроэнергию компаниями.
Двигатели преимущественно берут из производства тяговых машин и грузового транспорта, которые изменяют под потребности переработки биогаза в электроэнергию. Двигатели внутреннего сгорания работают по принципу дизельных двигателей, тоесть они самозажигающиеся. Небольшое количество добавляемой пусковой жидкости оказывает охлаждающий эффект на сопла вбрызгивания, что может привести к забиванию и повышенному износу.
Электр. КПД генератора с газожидкостным двигателем внутреннего сгорания достигает уровня 25-40%. Для фермеров перерабатывающих биогаз на электроэнергию,
|
Газожидкостный двигатель |
Газовый двигатель |
|
Преимущества
|
Преимущества
|
|
Недостатки
|
Недостатки
|
Потребление ископаемой пусковой жидкости является необходимой вынужденной мерой, а не долгосрочное решение проблемы. С экономической точки зрения затраты выравниваются при уровне цен на мазут до 0,40 Евро/л (лишь при базовой оплате) или 0,62 Евро/л (включая бонус за возобновляемые источники энергии) от прибыли за дополнительно произведенную электроэнергию.
|
КПД для газожидкостных и газовых двигателей генератора
Для рентабельности биогазовой установки решающим фактором является КПД при выработке электроэнергии. 1% в разнице эффективности для генератора на 100 кВт может влиять на 4000 Евро прибыли или убытков в год. При сравнении эффективности выработки энергии различают такие уровни эффективности: 1. Механический КПД двигателя в генераторе – соотношение между выработанной в двигателе механической энергией и потенциалом энергии использованного горючего. Часто механический и электр. КПД генератора упрощенно приравнивают (среди прочего чтобы получит преимущества перед конкурентами), чего допускать не следует. Механическое КПД зависит от типа двигателя и его размеров, для газовых и газожидкостных двигателей он составляет до 45%. 2. КПД генератора: в генераторе просходит преобразование механической энергии в электрическую. КПД остальных генераторов с мощностью более 20 кВт составляет 90-96%. Все остальное превращается в тепло генератора. 3. Электрический КПД: чтобы рассчитать электр. КПД генератора, необходимо механичекий КПД умножить на КПД генератора. Пример: 40% механич. КПД и 93% КПД генератора дают электр. КПД 0,40 х 0,93 = 37,2% 4. Термический КПД: кроме механической энергии при переходе энергии от одного вида в другой в двигателе возникает большое количество избыточного тепла, частично в виде отработанных газов, а частично в охлаждающей жидкости, все остальное содержится в тепловом излучении. Термический КПД как правило выше электрического; он достигает в зависимости от типа строения двигателя и размеров, а также температуры используемого отводимого тепла до 55%. Термическому КПД длительное время придавали мало значения. Лишь после вступления в силу нового Законодательства ЕС в 2004 о бонусе для генераторов он приобрел поистине экономического значения (смотр. Раздел 5.5.4: Доплата за объединенную выработку тепловой и электрической энергии). 5. Общий КПД можно рассчитать в виде суммы из электрического и термического КПД: Пример: - электрический КПД: 37,2% - термический КПД: 52,7% - общий КПД: 89,9% При оценке КПД газовых и газожидкостных двигателей генераторов следует обратить внимание на следующее: 1. Электрический КПД генератора с газожидкостным двигателем при одинаковой мощности как правило на 3-4% выше чем у генератора с газовым двигателем. Эта разница тем меньше, чем выше сравниваемые мощности. 2. Электрический КПД зависит от размера генератора, но возрастает не линеарно с ним (смотр. Изобр. 5.13). 3. Термический КПД генератора с газожидкостным двигателем почти независим от размеров генератора. 4. Термический КПД генератора с газовым двигателем для небольших установок выше чем у больших. 5. Общий КПД генератора с газовым двигателем выше чем генератора с газожидкостным двигателем. |
|||||
|
Границы выбросов для двигателей переработки газа в электроэнергию согласно требований Технического отдела «Воздушный бассейн» |
|||||
|
Тепловая мощность при сгорании |
Единица измерения |
Газовый двигатель менее 3 МВт |
Газовый двигатель более 3 МВт |
Газожидкостный двигатель менее 3 МВт |
Газожидкостный двигатель более 3 МВт |
|
СО |
мг/м³ |
1000 |
650 |
2000 |
650 |
|
NOx |
мг/м³ |
500 |
500 |
1000 |
500 |
|
Диоксид серы |
мг/м³ |
350 |
350 |
350 |
350 |
|
Ощее пыли |
мг/м³ |
20 |
20 |
20 |
20 |
|
Формальдегид |
мг/м³ |
60 |
20 |
60 |
60 |
Первые опыты по замене мазута растительным маслом уже начаты. С 1.1.2007 г. для новостроящихся объектов имеющих генераторы с газожидкостными двигателями разрешено применять лишь запальное топливо биогенного происхождения. В этом случае применяют чистое растительное масло или растительное масло-сложный метиловый эфир. С 2007 г. при покупке газожидкостных двигателей следует обращать внимание на совместимость с растительным маслом. Запущенные в работу генераторы с газожидкостными двигателями до этой даты можно и дальше эксплуатировать на ископаемых энергоносителях.
Сопоставление характеристик включая преимущества и недостатки двигателей приводится в Таблице 5.7.
Из нее видно что именно в нижнем диапазоне газожидкостных двигателей по причине их низкой стоимости и высокой эффективности находятся основные преимущества. Для электр. мощности от 300 кВт преимущества имеют газовые двигатели. При покупке генератора кроме этих аспектов необходимо обратить внимание на опыт и обслуживание продающей компании.
К этому также относится, что по близости должно быть хотя бы одно представительство компании-продавца, чтобы можно было быстро решить проблемы на месте. Иначе чего стоит предложение услуг «все включено», если к месту ремонта необходимо ехать целый день, пока обслуживающий персонал окажется на месте поломки. Простои на протяжении многих дней очень плохо сказываются на установке, окружающей среде и рентабельности.
Эмиссии
При сжигании биогаза преимущественно образовывается СО2, О2 и вода. Кроме того еще образовываются вредные газы как то СО, NO и NO2 (сведены в общее понятие NOх), SO2, формальдегид и углеводороды. Для вредных газов СО и NOх существуют граничные показатели, которые различаются между собой в зависимости от принципа работы двигателя и тепловой мощности при сгорании (Таблица 5.8).
Агрегаты более чем на 1 МВт общей тепловой мощности попадают под Федеральное распоряжение о регулировании эмиссий и должны выдерживать заложенные в нем граничные показатели. Для генераторов менее 1 МВт эти нормы не обязательны, но применяются как ориентировочные данные.
Чтобы держать эмиссии на низком уровне, то генераторы должны работать на так называемой объединенной смеси с λ = 1,2 – 1,6. Коэффициент избыточного воздуха лямбда (λ) показывает соотношение между попадающим воздухом и топливом. Для генераторов, работающих на объединенной смеси, мощность и КПД уменьшаются малозначительно.