Centralele termoenergetice cu cogenerare sunt un caz particular al instalațiilor cu cicluri combinate. Acestea utilizează căldura produsă prin arderea combustibililor atât pentru producerea de energie electrică, cât și pentru scopuri tehnologice (producerea de abur tehnologic) sau de prepararea apei calde (menajere sau pentru încălzire).
În principal, datorită avantajelor pe care le oferă (grad mare de transformare a energiei interne a combustibililor în energie mecanică prin temperaturi mari de ardere), se utilizează motoare cu turbină cu gaze. Gazele reziduale din procesul de producere a puterii mecanice sunt dirijate în continuare (ca atare sau organizând o post-ardere) într-un schimbător de căldură pentru producerea aburului tehnologic sau încălzirea apei.
Acest ciclu combinat conduce la un randament termic general mai ridicat al centralei cogenerative față de randamentul turbinei cu gaze sau al circuitului secundar, reducând consumul de combustibil și micșorând cantitatea de noxe (CO2, CO, NOx etc.) emise în mediul ambient.
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare Turbomotoare COMOTI și-a dezvoltat competențe ca proiectant general în realizarea centralelor cogenerative utilizând motoare cu turbine cu gaze aeroderivative. Una dintre realizările reprezentative este centrala cogenerativă 2 x ST18 de la Suplacu de Barcău.
Situată în nord-vestul României, Suplacu de Barcău este o zonă cu zăcăminte de ţiţei vâscos. Vâscozitatea mare a ţiţeiului face ca procesul de extracţie să fie dificil, solicitând costuri de producţie crescute datorită necesităţii de a utiliza un proces tehnologic de fluidizare a ţiţeiului prin injecţie de abur supraîncălzit în zăcământ. Costurile de producţie mărite se datorează producerii de abur supraîncălzit cu cazane de abur convenţionale şi utilizării de energie electrică din Reţeaua Naţională pentru pompele de extracţie.
În scopul reducerii costurilor de extracţie, proprietarul Schelei de extracţie, PETROM S.A., a contractat cu INCD Turbomotoare COMOTI, concepţia, proiectarea şi realizarea unei Staţii de cogenerare experimentale pentru producere de energie electrică şi energie termică sub formă de abur supraîncălzit, luând în consideraţie cerinţele specifice ale extracţiei de ţiţei vâscos.
Staţia de cogenerare a fost plasată în centrul câmpului de extracţie pentru o distribuţie uşoară a aburului la sonde cu minimum de pierderi posibile. Staţia de cogenerare este conectată la reţeaua de distribuţie a aburului şi la reţeaua electrică de 6,3 kV a Schelei de extracţie. Deşi proiectată și realizată pentru aplicaţii în domeniul extracţiei ţiţeiurilor vâscoase, Staţia de cogenerare poate fi utilizată în orice altă aplicaţie industrială cu proces tehnologic continuu unde este necesară energie electrică şi termică sub formă de abur la costuri reduse.
Concepţia staţiei de cogenerare
În rol de contractor principal şi proiectant general, INCD Turbomotoare COMOTI a coordonat lucrările de proiectare, execuţie şi punere în funcţiune a Staţiei de cogenerare. Lucrările de proiectare şi construcţie au fost realizate în colaborare cu companii specializate în domeniul cazanelor recuperatoare, sistemelor de postardere şi reţelelor de medie tensiune.
Fiecare linie cogenerativă se compune din următoarele componente principale: grupul turbogenerator, cazanul recuperator cu sistemul de postardere, instalaţiile auxiliare şi sistemele de automatizare. Energia electrică produsă este furnizată în reţeaua locală de 6,3 kV a Schelei de extracţie, iar energia termică în reţeaua de distribuţie a aburului supraîncălzit.
Aburul este produs, în principal, pe baza energiei termice conţinută în gazele de ardere provenite de la turbina cu gaze şi recuperată în cazanul recuperator. În fluxul gazelor de ardere evacuate, la intrare în cazanul recuperator, este prevăzută o cameră de postardere care realizează pe de o parte creşterea energiei termice în gazele de ardere ale turbinei cu gaze (debitul de abur), iar pe de altă parte permite funcţionarea independentă a cazanului recuperator.
Sistemul de postardere furnizează cantitatea suplimentară de energie termică (peste energia din gazele de ardere ale turbinei) necesară pentru creşterea debitului de abur până la 6,5 t/h, care reprezintă debitul maxim solicitat de beneficiar 5÷7. Conform cerinţelor beneficiarului proiectarea a fost realizată astfel ca liniile de cogenerare să fie capabile să funcţioneze în trei regimuri de furnizare a energiei:
- combinat energie electrică şi termică;
- numai energie electrică;
- numai energie termică.
Soluția tehnică pentru liniile de cogenerare prevede câte două coşuri de evacuare a gazelor de ardere pentru fiecare linie. Primul coş, numit coş de bypass, este amplasat după turbina cu gaze, iar al doilea coş, cel principal amplasat la evacuarea din cazanul recuperator.
În regimul de funcţionare cu producere combinată de energie electrică şi termică, prin sistemul de clapeţi de bypass, gazele de ardere de la turbina cu gaze sunt direcţionate către cazanul recuperator (care poate să funcţioneze cu sau fără postardere) după care sunt evacuate prin coşul cazanului.
În regimul de funcţionare cu producere numai de energie electrică, prin sistemul de clapeţi de bypass, gazele de ardere sunt evacuate prin coşul de bypass, cazanul recuperator fiind oprit.
În regimul de funcţionare cu producere numai de energie termică, funcţionează numai cazanul recuperator împreună cu sistemul de postardere, aerul necesar arderii fiind furnizat de un ventilator de aer. Gazele de ardere sunt evacuate prin coşul cazanului, calea spre turbină fiind blocată de clapeţii de bypass.
Fiecare turbogenerator se compune din:
- o turbină cu gaze aero-derivativă ST18 Pratt & Whitney prevăzută cu un reductor de turaţie fabricat de Philadelphia Gear Co-USA. Turbina cu gaze ST18 este de ultimă generaţie, având o putere de 1.700 kW cu un randament termic de 29% în condiţii ISO;
- un generator electric de 2000 kVA, fabricat de Electroputere Craiova – România.
Liniile de cogenerare au fost realizate cu un înalt nivel de automatizare. Toate comenzile, reglajele şi operările sunt automatizate. Acestea sunt prevăzute cu un sistem de automatizare turbogenerator, sistem de automatizare cazan recuperator şi sistem de automatizare instalaţii de postardere.
Sistemele de automatizare îşi transmit reciproc informaţiile necesare pentru ca linia de cogenerare să funcţioneze în condiţii optime şi sigure. Pentru monitorizarea şi afişarea parametrilor funcţionali este prevăzut un sistem de achiziție și prelucrare a datelor.
Experimentarea
După execuţie, realizarea testelor funcţionale pe instalaţii şi punerea în funcţiune, s-a efectuat testul de anduranţă de 720 ore pentru fiecare linie cogenerativă în condiţii normale de funcţionare 9÷10.
În timpul testului, s-au efectuat următoarele verificări:
- verificarea valorilor parametrilor funcţionali la regimul maxim continuu;
- verificarea limitelor de operare în funcţie de încărcarea liniilor de cogenerare pe partea electrică prin reţeaua de 6,3 kV;
- verificarea limitelor de operare în funcţie de sarcina sondelor în care se injectează abur;
- comportarea liniilor de cogenerare la apariţia evenimentelor nedorite pe reţeaua electrică de 6,3 kV şi pe cea de injecţie de abur în zăcământ.
Testul de 720 ore a confirmat soluţia tehnică aleasă pentru Staţia de cogenerare, luând în consideraţie necesarul de energie electrică şi abur supraîncălzit pentru procesul tehnologic din Schela de extracţie.
Rezultatele
După testul de anduranţă de 720 ore, s-a efectuat testul de acceptare de 72 ore pentru demonstrarea performanţelor liniilor cogenerative. Media valorilor parametrilor înregistraţi pe cele două linii în testele de acceptare la regimul maxim continuu, în condiţii ambiante de 1002 mbar şi 100 ºC, au fost cele identice cu cerinţele beneficiarului şi s-au încadrat în parametrii de proiectare.
Concluzie
În prezent, cele două linii de cogenerare au atins un număr de peste 60.000 ore de funcţionare, producând peste 80.000 MWh energie electrică şi 250.000 tone de abur supraîncălzit la o presiune de 18 bar şi 300 ºC.
Prin realizarea Staţiei de cogenerare, beneficiarul şi-a atins scopul propus, acela de reducere a costurilor de extracţie a ţiţeiului, prin reducerea costurilor de producere a energiei electrice şi a aburului supraîncălzit.
