Układy chłodzenia gazowych agregatów kogeneracyjnych (część 2/2)

Ciepło z układu chłodzenia mieszanki gazowej w układzie kogeneracyjnym

Do prawidłowej pracy silnika spalinowego i osiągnięcia przez niego zakładanej mocy, silnik spalinowy potrzebuje odpowiednio przygotowanej, to jest o odpowiednim: składzie chemicznym,  temperaturze i ciśnieniu mieszanki gazowej. Odpowiednio przygotowana mieszanka zapewnia prawidłowy przebieg spalania (o niskiej emisji NOx oraz z bezstukowym przebiegiem procesu). W tym celu po przygotowaniu mieszanki powietrzno-gazowej (zmieszaniu gazu zasilającego silnik w odpowiedniej proporcji z powietrzem) jest ona sprężana w turbosprężarce.  W wyniku sprężania mieszanki w turbosprężarce nagrzewa się ona do stosunkowych wysokich temperatur,200°C i więcej, co powoduje konieczność jej ochłodzenia przed użyciem do procesu spalania. Zdjęcie termowizyjne nr 3 obrazuje widok „zimnej” strony turbosprężarki podczas pracy z pełnym obciążeniem. W zależności od konstrukcji silnika i założeń konstrukcyjnych, mieszanka podawana do komór spalania powinna mieć zazwyczaj około 50°C. To powoduje konieczność jej ochłodzenia. Zdjęcie termowizyjne nr 3 przedstawia kolektor mieszanki którym płynie schłodzona mieszanka. 

Zdjęcie nr 3.

W celu maksymalnego wykorzystania energii cieplnej mieszanki gazowej chłodnice mieszanki są dwu częściowe/stopniowe (posiadają część wysoko i nisko  temperaturową, realizowane jest to poprzez dwa oddzielne obiegi cieczy chłodzące). W zależności od konstrukcji silnika chłodnica mieszanki może mieć dwa układy chłodzenia połączone w jednym elemencie chłodnicy mieszanki, tak jak to ma miejsce w silnikach marki Caterpillar serii CG-132 i CG-170 oraz w silnikach: MWM TCG 2016, MWM TCG 3016, MWM TCG 2020 lub też z wyraźnym rozgraniczeniem i zastosowaniem osobnych elementów chłodnic mieszanki, jak ma to miejsce w silnikach serii Caterpillar G3512E, Caterpillar G3520E. Zdjęcie nr 4 przedstawia silnik podczas remontu, w którym zamontowano fabrycznie nowe chłodnice mieszanki (są koloru szarego nad głowicami cylindrowymi).

Zdjęcie nr 4.

Odbieranie ciepła z mieszanki gazowej za pomocą dwóch  układów chłodzenia ma na celu zwiększenie sprawności całkowitej układu chłodzenia gazowego agregatu kogeneracyjnego. Dzieje się tak ponieważ, wysoka temperatura mieszanki gazowej jest w stanie oddać swoje ciepło do układu chłodzenia bloku silnika i wpływa ona na bilans cieplny całego układu chłodzenia. Układ chłodzenia silnika pracuje najczęściej w zakresie temperatur (około 85-100°C) co uniemożliwia schłodzenie mieszanki do wymaganej temperatury (około 50°C) przed poddaniem jej do procesu spalania. Dlatego też, stosuje się drugi układ, którego zadaniem jest schłodzenie mieszanki do wymaganej temperatury. Jest on odseparowany od układu chłodzenia bloku silnika ze względu na zdecydowanie niższą temperaturę pracy. W tym układzie temperatury na wyjściu z chłodnicy mieszanki osiągają około 50-60°C. Ze względu na niską temperaturą czynnika oraz stosunkowo niedużą moc cieplną tego układu, ciepło z tego układu jest tracone, to znaczy rozpraszane w atmosferze za pomocą chłodnicy na zewnątrz pomieszczenia siłowni gazowych agregatów kogeneracyjnych. Termowizyjne zdjęcie nr 5 przedstawia na pierwszym planie chłodnicę mieszanki, w tle chłodnica awaryjna bloku silnika. 

Zdjęcie nr 5.

W sprzyjających warunkach, ciepło z tego układu można wykorzystać do podgrzania powietrza zasilającego palniki kotłów lub też do podgrzania gazu CNG przed podaniem do układu zasilania silnika. Ze względu na bardzo częste zastępowanie pracy kotłów pracą gazowego agregatu kogeneracyjnego oraz sporadycznym wykorzystaniem gazu CNG do zasilania gazowych agregatów kogeneracyjnych, praktycznie nie wykorzystuje się ciepła z niskotemperaturowego układu chłodzenia mieszanki gazowej.

Chłodzenie gazów układu wydechowego w układach kogeneracyjnych

Miejsce eksploatacji układu CHP najczęściej determinuje sposób wykorzystania ciepła z gazów wydechowych. W układach kogeneracyjnych zamontowanych w elektrociepłowniach miejskich lub zakładowych, najczęściej ciepło gazów wydechowych wykorzystywane jest do produkcji ciepła w celu zasilania miejskich lub zakładowych systemów ciepłowniczych. Z kolei w zależności od specyfiki zakładu produkcyjnego i jego procesów technologicznych w niektórych przypadkach pożądane jest wytwarzanie pary technologicznej lub ciepła technologicznego wysokotemperaturowego przenoszonego przez oleje termalne. Zdjęcie nr 6 przedstawia kocioł/wymiennik parowy montowany nad gazowym agregatem kogeneracyjnym. Szkic nr 7 przedstawia rysunek sytuacyjny gazowego agregatu kogeneracyjnego zasilanego gazem ziemnym z produkcją pary wodnej w kotle/wymienniku zasilanym spalinami przedstawiony na zdjęciu nr 6. 

Zdjęcie nr 6.

Szkic nr 7.

Podsumowując, ciepło z gazowych agregatów kogeneracyjnych wykorzystujących silniki spalinowe wewnętrznego spalania jest pozyskiwane z następujących elementów/podzespołów:

– bloku silnika z głowicami cylindrowymi,

– chłodzenia oleju silnikowego,

– układu chłodzenia mieszanki gazowej,

– chłodzenia gazów układu wydechowego.

mail: promanski@eneria.pl

Autor: Piotr ROMAŃSKI

Ekspert ds. Usług Serwisowych Silników Przemysłowych CAT