white line white line
Заявки на оборудование просьба присылать в технический отдел на e-mail info@ence.ch, тел. +7 (495) 225 57 86
white line white line

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах мощностью 400 кВт

1. Анализ системы

Установка РС-400 является стационарной энергетической установкой с фосфорно-кислотным топливным элементом. Предназначается для систем распределенной генерации электроэнергии, а также для систем с комбинированным производством электроэнергии и тепла. Она способна производить 400 кВт постоянной, надежной электроэнергии при образовании теплоты, которую можно в дальнейшем применять для обогрева помещений, в устройствах нагрева воды, а также для запуска абсорбционной холодильной установки. Кроме этого, установка РС-400 подает резервное питание, когда энергосистемы общего пользования выходят из строя.

На рисунке 1-1 показаны основные операции системы. Сначала в системе обработки топлива газ превращается в водород в результате процесса, известного как преобразование при помощи каталитического пара. Затем водород и воздух поступают в 4 батареи фосфорно-кислотных топливных элементов, в которых водород и кислород соединяются электрохимическим путем для образования электро-, водо- и теплоснабжения с постоянным током. Конечный этап: электроэнергия с использованием переменного тока производится посредством встроенного преобразователя постоянного тока в переменный. Тепло, вырабатываемое в топливном элементе, производит пар, который подается обратно в систему обработки топлива для дальнейшего использования в процессе преобразования пара. Используемое тепло поставляется в предоставленный потребителем источник воды через встроенные радиаторы рекуперации тепла.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-1. Анализ процесса

1.2 Анализ производительности

Таблица 1-1 предоставляет обобщенные данные по производительным характеристикам системы с применением установки РС-400. Подробная информация по производительности предлагается ниже.

Таблица 1-1. Производительность энергетической установки
Технические характеристики Производительность
Полезная выходная электрическая мощность 400 кВт/471 кВA, 480 В, 50 Гц, 3 фазы
Электрический КПД 42% - начальный уровень
40% - номинальный уровень
Выходная мощность по теплу 0,39 Гкал/ч - начальный уровень
0,43 Гкал/ч - номинальный уровень
Комплексный КПД системы, низкая теплотворная способность До 90%
Расход газа (при теплоте сгорания 38 МДж/м3) 1,70 м3/мин - начальный уровень
1,75 м3/мин - номинальный уровень
Удельный расход газа 0,26 м3/кВт-ч
Расход воды:
при температуре окружающей среды ≤ +30°C
при температуре окружающей среды +43,3°C

не потребляет
3,8 л/мин (при давлении 276 кПа)
Выход воды Отсутствует

1.3 Описание энергетической установки

Модель 400 собирается на заводе–изготовителе, а энергетическая установка с протестированным топливным элементом состоит из двух главных компонентов: блок питания и модуль охлаждения. Блок питания состоит из пяти подсистем, собираемых и тестируемых, как комплектная система на заводе-изготовителе. Блок питания поставляется на место производства полностью укомплектованным вместе с необходимым оборудованием, проводкой и трубопроводами. Обычно требуется поставляемый заводом-изготовителем модуль охлаждения, который может быть установлен в непосредственной близости от блока питания. На рисунке 1-2 показан установленный блок питания с расположенным поблизости модулем охлаждения (на крыше здания).

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-2. Пример установки

1.3.1 Описание подсистем

Блок питания состоит их пяти основных подсистем, которые изображены на рисунке 1-3.

1.3.1.1 Система обработки топлива

Система обработки топлива преобразует газ в продукт водорода, обогащенный водородом газ, который впоследствии поставляется на другую сторону батарей топливных элементов. Модуль включает конденсатор для возобновления подачи воды, вырабатываемой при работе топливного механизма путем конденсации водяных паров после завершения процесса. Таким образом, устраняется необходимость в подаче подпиточной воды, требуемой при большинстве операций.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-3. Пять подсистем модели 400 системы PureCell®

Основные компоненты системы обработки топлива включают:

Преобразователь пара

Пар (H2O), вырабатываемый в охлаждающем контуре батарей механизмов термической системы управления, соединяется в преобразователе с метаном (CH4) газа для образования газа, состоящего из водорода (H2), оксида углерода (СО) и диоксида углерода (СО2). Газ с содержанием азота также может помочь создать небольшое количество аммиака.

Интегрированный низкотемпературный преобразователь

Интегрированный низкотемпературный преобразователь вырабатывает дополнительный водород при взаимодействии воды с газом, в котором газ СО и вода преобразуются в водород и СО2. Уменьшенное содержание газа СО сокращает его влияние на производительность батарей топливных элементов.

Поглотитель аммиака

Важной характеристикой системы обработки топлива является внедрение скруббера для поглощения аммиака, разработанного для сокращения содержания аммиака, входящего на стороне анодов топливного механизма. Аммиак формируется в топливном процессоре из азота, содержащегося в газе. Поглотитель аммиака увеличивает устойчивость системы к содержанию азота.

Конденсатор

Конденсатор возмещает водяной пар, испаряемый на выходе системы. Эта вода, образуемая при работе топливных механизмов, возвращается в термическую систему управления и в конечном итоге становится источником воды, применяемой в преобразователе и интегрированном низкотемпературном преобразователе. Тепло, полученное в конденсаторе, также является источником теплоты низкой температуры, доступной для нагревания жидкости, поставляемой потребителем.

1.3.1.2 Система электроснабжения

Батареи фосфорно-кислотных топливных элементов, подобно другим батареям топливных элементов, состоят из большого числа повторяющихся элементов. Диаграмма одного подобного элемента представлена на рисунке 1-4. Каждый топливный элемент состоит из матрицы, содержащей электролит ортофосфорной кислоты (H3PO4), анодного и катодного слоев.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-4. Повторяющийся элемент топливного элемента

Водородное топливо проходит в топливные элементы через каналы потока в сепараторе. В сепараторе происходит разделение газа на катод и анод повторяющихся элементов. Водород посредством электрохимической реакции взаимодействует с анодным катализатором для выбивания электрона из атомов водорода, как показано в равенстве 4. Ортофосфорная кислота, поглощенная матричными материалами, образует протонопроводящий электролит, через который оставшиеся протоны водорода мигрируют на слой катодного катализатора. Электрод заставляют двигаться вокруг электролита, что создает электрический ток. Кислород, потребляемый в ходе данного процесса, получается из потока воздуха, поставляемого в каналы сепаратора на катодной стороне элемента.

Модуль системы электроснабжения содержит 4 батареи топливных элементов, которые составляют основу модели РС-400. Каждая батарея топливных элементов, или модуль батарей элементов, содержащая 376 отдельных элементов, может вырабатывать более 100 кВт электроэнергии. Батареи топливных элементов соединяются последовательно, как показано на рисунке 1-5. Вместе они вырабатывают постоянный ток высокого напряжения.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-5. Конфигурация четырех батарей топливных элементов

Продукт преобразования водорода и поток воздуха подходит к каждой из батарей топливных элементов одновременно и так, чтобы уровень выходной мощности был одинаковым на всех четырех батареях. Вода, выделяемая при реакции топливных механизмов, покидает батареи вместе с отработавшими газами. Вырабатываемое во время реакции тепло удаляется потоком воды через изолированные охлаждающие элементы, встроенные на всем периметре модуля батарей.

1.3.1.3 Термическая система управления / Система очистки воды

Термическая система управления/Система очистки воды поддерживает термический баланс в системе путем охлаждения воды в батареях топливных элементов и в системах остального оборудования. Пар, вырабатываемый в контуре батарей элементов, передается в систему обработки топлива для дальнейшего применения в процессе преобразования газа. Термическая система управления состоит их двух радиаторов рекуперации тепла, средств управления и интерфейса для отведения тепла в охлаждающий модуль установки РС-400.

Тепло, получаемое в процессе работы топливных элементов, поставляется потребителю, как в форме высокой температуры, так и в форме низкой температуры. Тепло высокой температуры вырабатывается в охлаждающем контуре батарей элементов, оно может нагревать жидкости, поставляемые потребителем, до 120°C. Тепло высокой температуры составляет приблизительно 45% от общего тепла, доступного для системы. Тепло низкой температуры изначально вырабатывается в конденсаторе и может нагревать жидкости от 60° до 77°C, в зависимости от разных условий. Неиспользуемое тепло низкой температуры также доступно в низкотемпературном контуре.

Система очистки воды подает обработанную воду высокого качества на батареи топливных элементов и на остальное оборудование. Процесс идет посредством циркуляции рекуперированной воды через ряд опреснительных установок. Подпиточная вода не требуется при работе при температуре окружающей среды ниже +30°C.

1.3.1.4 Модуль энергосистемы

Модуль энергосистемы выполняет как функцию системы поддержания нормальных параметров электроснабжения, так и функцию действующего блока управления для всей энергетической установки. Постоянный ток поступает из батарей топливных элементов и преобразуется для получения переменного тока 480 В/50 Гц/3 фазы на выходе к оборудованию потребителя. Система на основе инвертора автоматически синхронизируется с имеющейся энергосетью без необходимости в отдельной синхронизации для каждого типа оборудования. Модуль энергосистемы предоставляет отдельное сопряжение в 480 В для подачи напряжения на изолированные потребительские нагрузки. При применении данного модуля потребительская нагрузка питается как от доступной системы энергетической сети, так и автономно. При обесточивании основной энергосети топливные элементы через несколько секунд перейдут к автономному режиму, нагрузка будет изменяться в соответствии с требованиями по изолированной нагрузке.

Блок управления энергетической установки размещается на модуле энергосистемы, с его помощью осуществляется автономное и дистанционное управление из центра управления при помощи отдельно поставляемой системы дистанционного управления. Дополнительная электроэнергия для остального оборудования (моторы, насосы, датчики и т.д.) также поступает из модуля электроэнергии.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-6. Инвертор установки РС-400

1.3.1.5 Установка для обработки воздуха
Основной функцией установки для обработки воздуха является поставка очищенного воздуха к катоду топливных элементов и камере сгорания установки реформинга газа. Подача требуемого потока воздуха достигается при помощи центробежного нагнетателя низкого давления. Вентиляционный воздух охлаждает и вентилирует компонентыустановки.

1.3.2 Охлаждающий модуль

Установка РС-400 включает в себя сухой воздухоохладитель с дистанционным управлением, который обеспечивает полный отвод тепла и охлаждение системы топливных элементов. На рисунке 1-7 показан охлаждающий модуль с шестью вентиляторами, которые питаются непосредственно от энергетической установки как внутренняя дополнительная нагрузка. Охлаждающий модуль не уменьшает полезную выходную мощность установки РС-400. Скорость вентиляторов можно регулировать, они автоматически управляются для поддержания заданной температуры внутри системы. Рекуперация потребительской теплоты уменьшает общую нагрузку на охлаждающий модуль.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-7. Модуль для охлаждения воздуха

Охлаждающий модуль, управляемый дистанционно из блока питания, был разработан как встроенный компонент низкотемпературной системы охлаждения для термической системы управления. Насос, выпускной клапан и средства управления, используемые для снабжения системы охлаждающей жидкостью с гликолем, находятся в самой энергетической установке. Охлаждающий модуль включает встроенную расширительную цистерну и электровыключатель массы.

Охлаждающий модуль может находиться на удалении до 75 м от блока питании и соединяется обратным и питающим трубопроводами диаметром 63 мм. Его также можно устанавливать сверху блока питания при использовании дополнительной платформы для монтирования охлаждающей установки на крыше здания. Центральная система охлаждения оборудования может применяться в местах установки модулей охлаждения воздуха, но требуется обязательное наличие в центральной системе оборудования аварийной резервной мощности для продолжения работы даже при перебоях в системе электроснабжения.

1.4 Система дистанционного управления

В состав энергетической установки входит система связи через Интернет, именуемая Система дистанционного управления. Данная система предоставляет центру управления возможность дистанционного доступа к техническим данным энергетической установки, а также предлагает ограниченное управление, включая запуск, установление значения выходной мощности (в кВт) и команды выключения. Энергетическая установка может сама подавать сигналы для оповещения технических специалистов о достижении предельного значения показателей, о статусах или о требовании в ТО Каждая система дистанционного управления может взаимодействовать максимально с 6 установками РС-400 на одном производственном объекте. На рисунке 1-8 представлена структура системы дистанционного управления.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 1-8. Структуры системы дистанционного управления

1.5 Сертификация продукции

Модель РС-400 была разработана в соответствии с американскими национальными стандартами ANSI/CSA America FC 1 — 2004, CSA – американским национальным стандартом для стационарных энергетических установок с топливными элементами.

Инверторный преобразователь установки РС-400 прошел сертификацию по UL1741 и соответствует стандарту IEEE1547.

1.6 Срок службы изделия

Теплоэнергетическая установка РС-400 на основе топливных элементов была разработана для непрерывной работы на протяжении 20 лет.

1.7 Требования к условиям хранения

Блок питания в базовом исполнении был разработан таким образом, чтобы выдерживать температуры от -29 до +45°C при транспортировке или хранении. До установки вентиляционных колпаков и пробок отверстия рамы на блок питания должен надеваться кожух, защищающий от атмосферных воздействий. Блок питания должен храниться на плоской бетонной подушке или на подстилочном материале, перемещающем блок питания (в любом направлении). Для перемещения используются четыре подъемные петли.

Энергетическая установка не имеет пола, поэтому при хранении на подстилочном материале необходимо обеспечение того, чтобы животные и др. не входили на территорию. Для установок на крыше при наличии только бордюров или подстилочных материалов возможно построение полового покрытия.

Охлаждающий модуль поставляется сухим и может храниться на плоской поверхности или подстилочном материале непосредственно после прибытия. Во избежание попадания в трубопроводы воды или других веществ убедитесь в том, что соединения входных и выходных труб герметичны.

1.8 Размеры и вес

Размеры всех деталей представлены в таблице 1-2.

Таблица 1-2. Размеры деталей1
Описание Кол-во Длина, мм Ширина, мм Высота, мм Вес, кг
Энергетическая установка в целом 1 8380 2590 3050 27180
Модули:
Модуль батарей элементов 4 1020 990 2770 2040
Реформер 1 1320 1320 2920 2670
Интегрированный низкотемпературный преобразователь 1 1550 1550 2010 4080
Конденсатор 1 1730 610 2180 1090
ARD 1 560 560 2440 1000
Система поддержания нормальных параметров электроснабжения 1 1220 1220 1370 2270
Баллон с азотом 10 280 280 1270 45
Баллон с диметилнитрозамином 6 250 250 1270 22 (сухой)

Примечание:
1 Детали энергетической установки могут быть приподняты до 45 градусов во время использования для сокращения высоты.


2. Показатели производительности

2.1 Электроэнергия

2.1.1 Номинальная полезная мощность

Установка РС-400 была разработана для предоставления потребителям 400 кВт выходной мощности. Мощность, потребляемая модулем охлаждения для устранения производства нерекуперированного потребителем тепла, является внутренней нагрузкой. Это не сокращает выходную мощность.

2.1.2 Запуск и дополнительная мощность

Запуск модели 400 происходит посредством использования энергосети потребителя. Требуемая мощность при запуске составляет в среднем 70 кВт на протяжении 5 часов. Максимальное значение требуемой мощности составляет 158 кВт При начальном запуске происходит подогрев интегральной низкотемпературной системы и модуля батарей элементов до рабочей температуры. Используются электрические нагревательные элементы. После запуска энергетическая установка будет поставлять энергию напрямую к охлаждающим модулям и системам связи (внутренние нагрузки будут поддерживать чистую заданную выходную мощность для потребителя в 400 кВт). При перебоях в подаче электроэнергии энергетическая установка изолирует себя от распределительной системы потребителя или работает в режиме малого потребления энергии, либо работает в автономном режиме, при этом питая изолированную электрическую нагрузку.

2.1.3 Электрические характеристики при подключении к сети

Таблица 2-1. Электрические характеристики1 при подключении к сети
Номинальная мощность энергетической установки
Номинальная мощность (чистая) 400 кВт/471 кВА
Стандартные конфигурации напряжения и частоты 480В, 3 фазы, 3 провода, 50 Гц
Электрические характеристики
Диапазон рабочих режимов 0-100% - установлено заводом изготовителем
Диапазон коэффициента мощности (при номинальном линейном напряжении) От 0.85 до 1.0 отставание/опережение (регулируется), 0.85 - опережение до ±5% линейного напряжения, 0.9% отставания при 5% линейного напряжения.
Стабильность подачи и точность энергии Полезная мощность регулируется при ±1% от нормы. Реактивная мощность при ±2% от нормы.
Данные значения достигаются в течение 100 миллисекунд после изменения состояния энергосети.
Ток короткого замыкания 110% от установленного среднеквадратичного тока, определяется за 1 цикл
Нулевой экспорт электроэнергии Энергетическая установка может опционально "следовать за нагрузкой" (контролировать экспорт полезной мощности) через выходной сигнал внешней системы контроля экспорта/импорта (кВт)
Разбаланс линейного напряжения 2%, между фазами, кВА, установлено на заводе-производителе.
5%, кВА, отклонение от нормы до 85%. Отклонение линейно по отношению к норме. При разбалансе прерывание меньше 5%.
Гармонический ток Гармонический ток должен соответствовать стандарту UL1741 при номинальной мощности (эксплуатация при стандартном сопротивлении, 4% индуктивная нагрузка шунтируется 56% резистивной нагрузкой). Для источника генератора, соединенного с электрической сетью, необходимо, чтобы гармоническое напряжение соответствовало стандартам IEEE 519.
Выход Фиксированная нагрузка между 0% и 100%
Приведите в соответствие изменения от минимальной нагрузки до максимальной за менее, чем 40 секунд при макс. 10 кВт/cек
Меры предосторожности Меры предосторожности в соответствии со стандартами UL1741
Повторное соединение Энергетическая установка автоматически восстанавливает соединение после разъединения, если сеть работает в обычном режиме в промежутке 0-10 минут (возможно отрегулировать). Если разъединения происходят часто, повторное соединение невозможно провести автоматически.

Примечание:
1 Стандартное сопротивление определяется как 4% индуктивной нагрузки, шунтированные 56% резистивной нагрузки.

2.1.4 Электрические характеристики при автономной работе

Таблица 2-2. Электрические характеристики при автономной работе
Номинальная мощность энергетической установки
Номинальная мощность (чистая) 400 кВт/ 471 кВА
Стандартные конфигурации напряжения и частоты 480 В, 3 фазы, 3 провода, 50 Гц
Электрические характеристики
Номинальное значение тока (Ампер, переменный ток) 566 А переменного среднеквадратичного тока. 0,85 – коэффициент мощности.
Бесперебойный режим рабочего диапазона От 0 до 100% номинальной мощности (кВА)
5 секундный (максимум) временный номинал по нагрузке 565 кВА (120%) при 440 кВт (110%), до 5 секунд
Пошаговая нагрузка 50 кВт максимальной пошаговой нагрузки, любое место, от 0 до 350 кВт
50 кВт максимальной нагрузки от 350 до 400 кВт
10 кВт/c при максимальном постепенном изменении мощности
За основу взят типичный 5-секундный запуск электродвигателя мощностью 15 кВт
Бесперебойный режим регулирования напряжения ±1% от номинального значения
Переменное регулирование напряжения 3% изменение напряжения (максимум), возврат к стандартному 1% значению за 100 миллисекунд
Гармоническое напряжение Общее искажение напряжения высшими гармониками – менее 3% при балансе линейной нагрузки.
Ни одного гармонического искажения, менее 1% при балансе линейной нагрузки
Фазовое разнесение 120±3 электрического градуса
Нарушение баланса тока 30% максимального нарушения баланса тока
Ток короткого напряжения 880 А переменного тока между фазами
Максимальная продолжительность – 5 секунд
Синхронизация электрической сети Энергетическая установка синхронизируется с внешней энергосетью при ее наличии.
Время перехода Переход от состояния подключения к сети к состоянию разъединения с сетью происходит менее, чем за 5 секунд.

2.1.5 Продуктивность, потребление топлива

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 2-1. Установка РС-400: производительность – часы эксплуатации


2.2 Эксплуатация в дроссельном режиме

В основе рисунка 2-2 лежит производительность энергетической установки в начале ее эксплуатации.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 2-2. Установка РС-400: производительность – выходная мощность


2.3 Рекуперация теплоты

2.3.1 Использование теплоты энергетической установки

Так как установка РС-400 является комбинированной установкой по производству тепловой и электрической энергии, наибольшая ее эффективность приходится на режим работы, когда все потребляемое тепло задействуется на производственном объекте потребителя. Если это достигается, комплексная эффективность системы достигает 90% (низкая теплота сгорания).

2.3.2 Характеристики рекуперации тепла и перепад давления на радиаторе

У энергетической установки с топливными элементами есть 2 устройства рекуперации тепла для непосредственного нагрева потребительской воды. Сюда входит нагрев при низких температурах (60°C) и нагрев при высоких температурах (120°C). Действительная температура будет зависеть от следующих факторов:

  1. Температура входящей воды потребителя и скорость потока
  2. Выходная мощность энергетической установки в кВт
  3. Возраст самой энергетической установки

Для устройств рекуперации тепла с высокими температурами доступна только часть всего тепла энергетической установки. При помощи устройств с низкими температурами возможен доступ ко всему остальному теплу, не задействованному при работе устройств с высокими температурами, кроме того, возможно получение дополнительного тепла из конденсатора энергетической установки. Использованное тепло от устройства с низкими температурами энергетической установки, не нужное потребителю, автоматически отводится в охлаждающем модуле, входящем в комплект установки. Как показано на рисунке 2-3 тепло может отводиться одновременно со всех трех устройств. Применение использованного тепла с двух устройств необязательно при эксплуатации установки.

Теплоэнергетическая установка на топливных элементах
Рисунок 2-3. Устройства рекуперации тепла энергетической установки

2.3.2.1 Доступ к теплу низкой температуры

Устройство рекуперации тепла низкой температуры находится на внутреннем радиаторе, который изначально разогревает входящую воду потребителя с 27°C до 60°C, скорость потока - 190 л/мин. При использовании только тепла низкой температуры (без тепла высокой температуры) при запуске системы будет доступно около 0,39 ГКал/ч тепла при полной мощности. Количество поставляемого тепла сокращается при более высоких входных температурах, а также увеличивается количество часов эксплуатации энергетической установки.

Энергетическая установка не контролирует поставку тепла от низкотемпературного радиатора. Сторона энергетической установки (горячая сторона) всегда находится в нагретом состоянии. Поэтому тепло передается на сторону потребителя (холодная сторона) радиатора в любое время работы энергетической установки. Потребитель должен контролировать контур низкотемпературной рекуперации тепла для предотвращения перегрева системы. Использованное тепло низкой температуры, не нужное потребителю, автоматически отводится в сухой воздухоохладитель, поставляемый вместе с энергетической установкой.

2.3.2.2 Доступ к теплу высокой температуры

Энергетическая установка с топливными элементами снабжена еще и устройством рекуперации тепла высокой температуры, которое предоставляет доступ к теплу с более высокими температурами из охлаждающего контура батарей топливных элементов. Высокотемпературный радиатор был разработан для нагрева потребительской воды под давлением до 120°C. Поставка тепла от высокотемпературного радиатора контролируется энергетической установкой при использовании обходного клапана с горячей стороны. Любое количество тепла высокой температуры, не используемое на данном устройстве, будет передано (внутри системы) устройству рекуперации тепла низкой температуры, что приведет к увеличению температуры низкотемпературного радиатора. Обратите внимание на то, что высокотемпературный радиатор не предназначен для выработки пара.

Номинальное количество тепла высокой температуры зависит от КПД топлива модуля батарей элементов. В начале эксплуатации при 400 кВт вырабатывается около 0,17 ГКал/ч тепла. При рекуперации тепла высокой температуры доступная рекуперация тепла низкой температуры сокращается до количества, поставляемого устройством рекуперации тепла с высокими температурами. Данное тепло высокой температуры является вторичным теплом низкой температуры.

2.3.2.3 Доступ к вторичному теплу низкой температуры

Рекуперация тепла высокой температуры сократит качество и количество тепла, доступного для устройства рекуперации тепла низкой температуры. В начале эксплуатационного периода при подаче тепла высокой температуры в 0,17 ГКал/ч доступное тепло низкой температуры сократится до 0,22 ГКал/ч. Вместе устройства рекуперации тепла низкой и высокой температур поставляют в начале эксплуатационного периода общее количество тепла в 0,39 ГКал/ч.

2.3.2.4 Внешнее смешивание теплоты низкой и высокой температур

Тепло высокой температуры должно подаваться к потоку с потребительской стороны для увеличения подаваемой низкой температуры выше номинального значения в 60°C (для этого производится соединение выходного тепла низкой температуры и входного тепла высокой температуры). Данный процесс является нецелесообразным, так как эти системы уже соединены между собой. Высокотемпературный радиатор энергетической установки будет подавать тепло к потребительским выходящим потокам низкой температуры. Одновременно с этим система станет уменьшать температуру на горячей стороне, входящую в высокотемпературный радиатор, посредством уменьшения тепла, переданного в систему низких температур встроенным радиатором. Таким образом, при равновесии выходная низкая температура будет уменьшена, а конечное тепло из устройства рекуперации тепла высокой температуры останется таким же значением, какое бы было при использовании только одного устройства рекуперации тепла низкой температуры.

2.3.3 Абсорбционная холодильная установка

В конце срока эксплуатации установки тепло высокой температуры может использоваться для выработки холодильной установкой до 60 тонн охлажденной воды.

2.4 Выбросы газов

Установка РС-400 сертифицирована по выбросам Калифорнийским советом по воздушным ресурсам по Наиональному стандарту США 2007 г.

Таблица 2-3. Данные по выбросам газов
  Грамм Число частей на миллион по объему 15,4% O2
NOx 9,06 0,50
CO 9,06 0,67
VOC 9,06 1,36
CO2 498300  

2.5 Шумы

Уровень шума энергетической установки с топливными элементами составляет менее 65 дБА на 10 метров в любой области установки. Это соответствует уровню шума при нормальном разговоре. При работе устройства рекуперации тепла на полной мощности охлаждающий модуль выключается, и уровень шума падает до 60 дБА на 10 метров.


3. Методические указания по практическому применению

3.1 Газ

На установке задействованы трубопроводы низкого давления для подачи газа. Допустимый состав газа приведен в таблице 3-1. При работе в условиях переходных процессов в конце срока эксплуатации установки требуемое давление газа находится в пределах от 1 кПа до 3,5 кПа, а объемы потока составляют 126 м3/ч.

Одним из требований является проведение потребителем анализа образца газа для оценки и документального подтверждения.

Аммиак, образуемый в процессе переработки топлива, удаляется встроенным аммиачным поглотителем. Баллоны из полимерных материалов поглотителя обычно меняются раз в год. Система работает и с применением газа с 15% азота, что скажется на более частой замене баллонов и умеренном повышении стоимости услуг.

3.2 Подпиточная вода

В результате соединения водорода и кислорода на установке образуется вода. Эта вода конденсируется из выхлопов установки и становится питающей водой для процесса преобразования метана в водород и СО2. Температура конденсатора на установке контролируется, чтобы конденсировать только то количество воды, которое необходимо для поддержания водного баланса. Конденсированная вода хранится и очищается встроенной системой очистки воды до 1 микромо. При температуре окружающей среды выше +30°C на установке может потребоваться выработка небольшого количества подпиточной воды (условно менее 3,7 л/мин) для добавления к конденсированной воде. Количество требуемой воды увеличивается от 0 л/мин при 30°C до 3,7 л/мин (в среднем) при 43°C. Минимальное требуемое давление – приблизительно 280 кПа. При обычных условиях не происходит выход воды из установки.

3.3 Система продувки сжатым азотом

Поставляемая потребителем система подачи инертного газа (азот) требуется для продувания топлива и систем воздушного охлаждения установки во время запуска и выключения. При стабильной работе инертный газ не требуется.

3.4 Электрические устройства

Установка РС-400 может работать при подсоединении к источнику энергии одновременно с энергосистемой общего пользования (взаимодействие с сетью), а также снабжать резервным питанием в автономном режиме при отключении сети. Выходные конфигурации: 480В переменного тока, 50Гц, 3 провода. Данная установка может использоваться также и в системах с применением 4 проводов.

3.4.1 Подключение к источнику энергии (3 провода)

При стандартной схеме подключения к внешней энергосети РС-400 будет подсоединена к встроенной системе распределения энергии потребителя. Внутренний инверторный преобразователь установки автоматически синхронизируется с системой электросети, как показано на выходных клеммах.

3.4.2 Без подключения к сети – автономный режим (3 провода)

Можно настроить установку таким образом, чтобы она работала в автономном режиме или при подключении к источнику питания. Кроме того, можно настроить функцию автоматического или ручного переключения между этими двумя режимами. При таких настройках установка обычно работает в режиме подключения к сети. При подключении к сети установка будет одновременно подавать энергию как на подключенный к источнику контур, так и на отсоединенный контур. На не подсоединенном выходе также 3 провода.

При отключении от источника энергии система защиты от потери энергии самой установки обнаружит это и отсоединит встроенный выходной выключатель. После этого установка автоматически перейдет в автономный режим, произойдет изменение конфигурации встроенных размыкателей цепи для начала изменения нагрузки по заданному графику. На изменение конфигурации уходит в среднем 3 секунды, во время которых подача энергии на нагрузку будет прекращена, пока установка не перейдет в автономный режим. Обратите внимание на то, что после возобновления подачи энергии энергетическая установка автоматически через 5 минут перейдет в режим подключения к электросети.

3.4.3 Автономный режим (4-провода)

При необходимости использования 4 проводов нейтралеобразующий трансформатор должен применяться для подачи энергии на потребительские нагрузки с помощью 4 проводов. В рассмотренной выше конфигурации (3 провода) для нагрузок в автономном режиме (при резервной мощности) требуется наличие своего собственного нейтралеобразующего трансформатора (треугольник - звезда). Если энергия на все нагрузки подается при помощи 4 проводов, обязательным требованием станет внедрение нейтралеобразующего трансформатора (750 кВА).

3.4.4 Распределение нагрузки на несколько устройств

3.4.4.1 Общие сведения

Дополнительная система контроля "распределения нагрузки на несколько устройств" необходима для в случае использования нескольких установок РС-400 для совместной работы в качестве единого целого в автономном режиме. Распределение нагрузки на несколько устройств происходит при взаимодействии контрольного блока управления, управления распределением нагрузкой при помощи преобразователя (встроен на установке), переключателя на производственном объекте и системы защиты, выполняющей функции, описанные ниже. При распределении нагрузки на несколько устройств задействовано 480 В, трехпроводная связь для каждого из топливных элементов на блоке питания размыкающего переключателя. Распределение нагрузки на несколько устройств не обязательно применять только для большого числа устройств в режиме подключения к сети.

3.4.4.2 Управление распределением нагрузки

Инверторные преобразователи нескольких установок автономно распределяют единичную нагрузку для того, чтобы работать в автономном режиме (без подключения к сети) в качестве единого устройства. Рассмотрим некоторые из функций управления:

  • Универсальный сигнал синхронизации для каждой энергетической установки
  • Управление распределением нагрузкой: происходит контроль над нагрузкой потребителя и управление на каждой установке для равного распределения нагрузкой (работа при одинаковой выходной мощности)
  • Снижение нагрузки: отвод некоторых нагрузок потребителей, если их значение станет слишком большим для питания топливных элементов
  • Связь с системами управления и контроля на производственном объекте
3.4.4.3 Управление режимом

Система управления дает команду нескольким энергетическим установкам работать вместе либо при подключении к электросети (регулировка мощности и реактивной нагрузки), либо в автономном режиме при отключении от сети (регулировка частоты и напряжения). Контроль управления осуществляет переход из одного режима в другой.

3.4.4.4 Управление выключателем

Для единичной нагрузки потребителя, питающейся от нескольких параллельных генераторов, требуется единичное отключение на устройстве для изоляции нескольких генераторов с единичной нагрузкой при нарушении электроснабжения и повторного соединения генераторов при возобновлении подачи электричества. Система управления обеспечивает работу данного выключателя.

3.4.4.5 Реле защиты

Реле защиты электросети передает информацию контрольному блоку управления о том, находится ли статус сети в установленных рамках. Этот статус использует контрольный блок управления для установления режима работы (автономного или с подключением к сети).

3.5 Устройства управления

На установке РС-400 можно опционально установить внешние провода цепи управления и контроля, которые поставляются потребителем.

3.5.1 Нормальное завершение работы

Система управления, поставляемая потребителем, или обычный переключатель (замыкание «сухого контакта») могут выключать установку. При этом установка незамедлительно включит свой внутренний размыкатель цепи и приостановит доставку мощности потребителям. Установка начнет передавать мощность от потребителя для охлаждения своей системы. Если установлено соединение с нагрузкой в режиме подключения к сети, установка будет передавать дополнительную энергию для продолжения подпитки контура сети, работающего в автономном режиме.

3.5.2 Быстрое (экстренное) завершение работы

Потребитель также может формировать соединение для экстренного выключения (также при замыкании сухого контакта). Экстренное выключение является «отказоустойчивой системой управления», так как оно находится не под контролем блока управления установки. Отключающая катушка минимального напряжения на внутреннем преобразователе размыкателя цепи будет напрямую включать размыкатель. Подобными действиями также закроется входной клапан. Установка будет продолжать потреблять энергию для охлаждения и подачи энергии на нагрузку в режиме автономной работы (если есть соединение).

3.5.3 Размыкатель электрической цепи включен

По этому контуру идет отключение внутреннего размыкателя цепи установки, от потребителя отсоединяется выход преобразователя. Обычно данная функция применяется, когда требуется внедрение внешнего реле защиты в автономном режиме. Например, для некоторых программ требуется чрезмерная релейная защита, когда как для других – защита обратной мощности для предотвращения экспорта энергии. Внешняя релейная защиты позволяет установке подавать энергию в распределительную систему здания. Когда данное разрешение больше не действует (выключение разомкнутого контакта реле), установка все еще будет поставлять энергию на изолированную нагрузку цепи в автономном режиме (при применении).

Подобная возможность управления полезна при подсоединении установки к секции распределительной сети здания с другим резервным генератором. При отключении сети данный генератор может отключить внутренний размыкатель цепи установки для предотвращения ситуации с непредвиденным распределением нагрузки на установке и генераторе.

Внешняя релейная защита никогда не должна использоваться для отключения внешнего размыкателя, изолирующего установку от сети здания. При подобном исходе работающая установка, переходящая в режим выключения, не сможет начать процесс охлаждения системы. Результатом станет потеря производительности или появление повреждений.

3.5.4 Заданное значение выходной мощности

Данный контур принимает сигнал от 4 до 20 мА от потребителя, который будет настраивать выходную мощность установки. Выходная мощность равномерно распределяется между этими значениями силы тока. Этот контур может быть крайне полезен для потребителя (для схем следования за термической нагрузкой и почасовая схема работы распределения нагрузки).

3.5.5 Следование за нагрузкой. Управление.

Данный контур, контролирующий экспорт нулевой мощности, использует реверсивный датчик электрической энергии, расположенный на датчике воды, газа в здании, для автоматического контроля над выходной мощностью установки в целях предотвращения экспорта мощности на электростанцию.

Блок управления установки также берет минимальное заданное значение входной мощности. При настройке выхода установки на постоянный импорт постоянного значения кВт от электростанции образуется определенный предел, позволяющий временным настройкам установки скорректировать выход мощности, когда энергия неожиданно перестанет подаваться к зданию. Это особенно важно, когда внешняя обратная мощность релейной защиты применяется для подключения к сети. Без минимального предела импорта применение реле может привести к нежелательному отключению системы топливных элементов.

3.5.6 Дистанционное регулирование теплоты высокой температуры

Если тепловая нагрузка высокой температуры потребителя меньше доступного значения теплоты, внутренний обходной клапан высокой температуры может быть изменен для достижения определенного значения подачи температуры. Эти действия будут препятствовать перегреву трубопроводов потребителя. Если скорость потока на контуре обогрева выше, чем можно пройти на практике через высокотемпературный радиатор, часть потока будет подвергаться обогреву. Энергетическая установка может изменить отводную теплоту дистанционного датчика температуры на трубопроводах потребителя для соответствия задаваемой температуре программы. Применение смешанной температуры в противопоставление контролю над подачей высокой температуры делает возможным использование большего количества тепла установки

3.5.7 Управление внешним вентилятором

При расположении энергетической установки внутри здания обычно требуется установка механизированной системы вытяжной вентиляции. Два контурных соединения: одно применяется для запуска/остановки вытяжной вентиляции, второе - из переключателя потока в вентиляторе, который подтверждает рабочее состояние вентилятора (статус вентилятора). Установка не станет работать без подтверждения потока.

3.5.8 Датчик давления для подачи азота

Это не опциональный контур, он должен быть установлен вместе с остальными элементами установки. Поставляемый датчик давления должен устанавливаться в системе продувки сжатым азотом на стороне трубопровода с высоким давлением. Переключатель замыкания сухого контакта подсоединен проводкой к энергетической установке. Установка не запустится без достаточного давления газа для продувки (статус давления азота). Во время работы падение давления приведет к извещению установки о неисправности, что является обязательным требованием.

3.6 Система дистанционного контроля

Система дистанционного контроля находится в небольшом, предназначенном для эксплуатации внутри зданий, корпусе. Энергия на него подается за счет питания переменным током от блока питания. Система дистанционного контроля соединяется с блоком питания при помощи установленного на объекте кабеля Ethernet (Cat 5). Максимальная длина составляет приблизительно 91 метр. Стандартное Интернет - соединение к системе дистанционного контроля производится через безопасное беспроводное сотовое соединение. Если беспроводное соединение недоступно, требуется высокоскоростное выделенное стационарное IP соединение.

3.6.1 Контроль над рекуперацией тепла

Дополнительное решение доступно для контроля над рекуперацией тепла и вычисления общего КПД. В контроль над рекуперацией тепла входит устройство регистрации данных, а также необходимые измерители потока и датчики температуры для контроля над рекуперацией тепла. Устройство регистрации данных находится в отдельном, защищенном от проникновения воды и пыли месте. Устройство соединяется с системой дистанционного контроля на объекте. Через него устройство получает необходимые данные от блока управления установки (например, выход электричества и расход газа). Данные от устройства регистрации передаются к потребителю посредством устройства связи.

3.6.2 Интерфейс диспетчеризации инженерного оборудования здания

Дополнительный интерфейс связи доступен для отправки данных в систему диспетчеризации инженерного оборудования здания (систему управления энергопотреблением). Предоставляются несколько протоколов для интерфейсов диспетчеризации инженерного оборудования: BACNet, Modbus, ASCII (текстовый) и другие.

3.7 Данные взаимосвязанных компонентов сети

На некоторых объектах, где требуется дополнительная защита, такая как обратная мощность (защита, не подлежащая экспорту) для центра управления энергоснабжением, необходима установка релейной защиты, а трансформаторы напряжения и тока требуется установить в самом центре управлением энергоснабжением, обычно в блоке учета электроснабжения на основном распределительном щите потребителя. Выходные зажимы реле отключают размыкатель цепи установки посредством дополнительных входных клемм, подсоединяющих сеть. Ниже, на примерном установочном чертеже приведены рекомендуемые технические требования к компонентам и диаграмма для 3х проводов. При использовании функции обратной мощности, также внедряется функция контроля следования за нагрузкой через датчик электрической мощности, измеряющий одинаковую мощность вместе с реле в центре управления энергоснабжением. Датчик электрической мощности соединяется с дополнительными входными зажимами для распределения кВт установки.


Сообщить об ошибке на сайте ENCE GmbH, Switzerland / ENCE gmbH, Schweiz / ЭНЦЕ ГмбХ, Швейцария © ENCE GmbH