Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор основных литературных источников, посвященных тематике исследования. Объект и предмет исследования, исследовательские средства, необходимые для решения задачи. Этапы проведения исследования 13
1.1 Детандер-генераторная технология 13
1.2 Теплонасосные установки 27
1.3 Объект исследования 29
1.4 Предмет исследования 29
1.5 Исследовательские средства, необходимые для решения задачи 30
1.6 Этапы проведения исследования 31
2 Природа и теория функционирования объекта исследования - схем установок бестопливной генерации электроэнергии на базе детандер генераторных агрегатов и тепловых насосов. Разработка технологических схем установок 34
2.1 Установка с одноступенчатым детандер-генераторным агрегатом и теплонасосной установкой парокомпрессионного типа 37
2.1.1 Структурная схема установки 37
2.1.2 Технологическая схема установки 41
2.2 Установка с двухступенчатым детандер-генераторным агрегатом и теплонасосной установкой парокомпрессионного типа 44
2.2.1 Структурная схема установки 44
2.2.2 Технологическая схема установки 49
2.3 Установка с одноступенчатым детандер-генераторным агрегатом и воздушной теплонасосной установкой 53
2.3.1 Структурная схема установки 53
2.3.2 Технологическая схема установки з
2.4 Установка с двухступенчатым детандер-генераторным агрегатом и воздушной теплонасосной установкой 59
2.4.1 Структурная схема 59
2.4.2 Технологическая схема 65
3 Разработка математических моделей и алгоритмов расчета параметров работы установок 70
3.1 Математическая модель установки с одноступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ 72
3.2 Алгоритм расчета параметров установки с одноступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ 74
3.3 Математическая модель установки с многоступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ 76
3.4 Алгоритм расчета установки с многоступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ 80
3.5 Математическая модель установки с одноступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ 83
3.6 Алгоритм расчета установки с одноступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ 85
3.7 Математическая модель установки с многоступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ 86
3.4.4 Алгоритм расчета установки, с многоступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ 90
4 Термодинамический анализ схем бестопливных установок для генерации электроэнергии и теплоты различных температурных потенциалов 94
4.1 Термодинамический анализ бестопливных установок на базе одноступенчатых ДГА с парокомпрессионными и воздушными ТНУ для подогрева газа 94
4.2 Термодинамический анализ бестопливных установок на базе
двухступенчатых ДГА с парокомпрессионными и воздушными ТНУ для подогрева газа 107
4.3 Сопоставительный анализ термодинамической эффективности бестопливных установок на базе одно- и двухступенчатых ДГА 121
5 Технико-экономическая оценка эффективности инвестиций в строительство установок бестопливной генерации электроэнергии на базе ДГА и ТНУ 129
Заключение 144
Список сокращений 146
Список литературы
- Теплонасосные установки
- Структурная схема установки
- Математическая модель установки с одноступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ
- Сопоставительный анализ термодинамической эффективности бестопливных установок на базе одно- и двухступенчатых ДГА
Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется развитием высокоэффективных энергосберегающих технологий, являющимся на сегодняшний день задачей государственной важности. Это объясняется, в основном, значительно более высокой (в 3 – 4 раза) энергоемкостью промышленного и сельскохозяйственного производства, нерачительными затратами энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве, приводящим к разбазариванию природных запасов страны, излишним затратам общественного труда. Принятый в ноябре 2009 года Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», последовавшие за ним подзаконные акты определяют основные направления деятельности научных и производственных организаций, в том числе и в развитии энергосберегающих технологий.
Одной из энергосберегающих технологий производства электроэнергии является детандер-генераторная технология, основанная на применении на станциях технологического понижения давления газа в системах газоснабжения, на предприятиях, использующих в качестве топлива природный газ, детандер-генераторных агрегатов (ДГА), высокая энергетическая эффективность которых получила практическое подтверждение.
В рамках данной работы проведен сопоставительный анализ термодинамической и технико-экономической эффективностей модернизированных и предложенных впервые схем установок бестопливной генерации электроэнергии на базе одно- и многоступенчатых ДГА с термопреобразователями парокомпрессионного и воздушного типов.
Степень разработанности темы исследования
Для выбранных при выполнении исследования условий и критериев оценки эффективности тема исследования разработана достаточно широко и глубоко. Так, рассмотрены наиболее часто применяемые на практике ДГА с одно- и двухступенчатыми детандерами. Принималось, что подогрев газа перед детандерами рассматриваемых установок производится за счет теплоты, низкий температурный потенциал которой повышается с применением теплонасосных установок различных принципов действия - парокомпрессионных и воздушных - как наиболее подходящих для этих целей в бестопливных ДГА. Наличие нескольких возможностей реализации детандер-генераторной технологии позволило поставить и решить задачи определения их термодинамических и технико-экономических преимуществ и недостатков, сравнительного анализа различных технических решений, определения условий, при которых следует рекомендовать к реализации то или иное техническое решение, что определяет глубину разработанности темы исследования.
Цели и задачи исследования
Целью работы является исследование способов совершенствования энергетических систем и комплексов, направленных на повышение их термодинамической и технико-экономической эффективностей и снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать схемы установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ различных типов.
-
Разработать методику определения эффективности схем установок бестопливной генерации электроэнергии.
-
Выполнить сравнение термодинамической эффективности схем установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ различных типов с применением разработанной методики.
-
Провести оценку экономической эффективности установок.
-
Разработать рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.
Для реализации задач исследования необходимы:
проведение аналитического обзора современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему бестопливной генерации электроэнергии;
обоснование критериев оценки эффективности схем установок;
разработка математических моделей вновь создаваемых и модернизируемых схем установок;
разработка алгоритмов расчета критерия термодинамической эффективности на основе предложенных математических моделей;
проведение исследований термодинамической эффективности схем установок;
определение экономической эффективности инвестиций в строительство установок бестопливной генерации электроэнергии.
Научная новизна работы
-
Разработана методика определения эффективности и алгоритм расчета установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ.
-
Проведен сравнительный анализ влияния типов ДГА и ТНУ, параметров транспортируемого газа и термодинамических свойств применяемых хладагентов на термодинамическую эффективность установок.
-
Проведена оценка экономической эффективности инвестиций в строительство наиболее перспективных установок.
-
Разработаны рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.
Теоретическая значимость работы обоснована тем, что разработанная методика позволит определять влияние параметров процессов на термодинамическую эффективность установок и научно обосновывать выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.
Практическая значимость работы определена разработанными двумя новыми схемами установок на основе ДГА и ТНУ, которые позволят создавать высокоэффективные бестопливные установки для энергоснабжения потребителей, а также возможностью определения термодинамической эффективности установок с применением разработанной методики и проведенными исследованиями технико-экономической эффективности установок при различных схемных решениях, позволяющими выбрать оптимальный вариант.
Методология и методы исследования при выполнении данного исследования применены общенаучные теоретические методы исследования. Теоретические методы, использованные в работе: анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, системный анализ.
Положения, выносимые на защиту:
схемы бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;
методика определения эффективности схем установок;
математические модели бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;
алгоритмы расчета зависимости принятого критерия термодинамической эффективности от параметров процессов при заданном режиме работы бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;
полученные при проведении исследования результаты сравнительного анализа термодинамической эффективности бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;
полученные при проведении исследования результаты оценки технико-экономической эффективности бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;
рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.
Степень достоверности результатов исследования подтверждена корректным использованием методов термодинамического и технико-экономического анализов, применением современного программного комплекса для определения термодинамических свойств веществ.
Апробация результатов
Результаты работы были представлены на XI международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2010», март 2010 г., г. Ухта, на Пятой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», октябрь 2010 г., г. Москва, на Научно-технической конференции УГТУ, апрель 2012 г., г. Ухта, на Шестой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», октябрь 2012 г., г. Москва, на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVII Бенардосовские чтения) 29-31 мая 2013 г., г. Иваново, на IV Международной научной конференции “European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches” 7 July 2013, Stuttgart, Germany.
Основное содержание работы изложено в 15-ти публикациях, в том числе в семи статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК и описании двух патентов на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и списка литературы. Текст диссертации изложен на 155 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 17 таблиц.
Теплонасосные установки
Начало применения детандер-генераторной технологии для производства электроэнергии приходится на середину прошлого столетия. В пятидесятые годы прошлого века академик М.Д.Миллионщиков предложил использовать избыточное давление транспортируемого природного газа, применяемого в различных отраслях промышленности в качестве топлива, для получения электрической энергии. При этом имелось в виду использование энергии газа для выработки электроэнергии на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП). Это предложение было реализовано А.В.Александровым в 1948 г. на турбодетандерной установке мощностью 50 80 кВт на ГРП Дашавского сажевого завода [4]. В 1959 году на киевской ГРС-1 была смонтирована и затем группой инженеров под руководством А.П.Клименко испытана опытная установка, производящая электроэнергию и холод. Основной частью этой установки являлся детандер или, как еще называют такие устройства, газорасширительная машина. Другим направлением внедрения детандерной технологии было использование ДГА на газовых и газоконденсатных месторождениях в системах подготовки газа к транспортированию. Первый промысловый опытно-промышленный ДГА Т-3 был разработан в 1965-1966 гг. лабораторией А.В.Язика (УкрНИИгаз). Затем в 1968 году ДГА был изготовлен и испытан на СКБ-К, г. Казань, а в 1971 году прошел промышленные испытания на Шебелинском газоконденсатном месторождении. Тогда же на базе этого агрегата вошла в строй первая в СССР турбохолодильная установка [5]. Внедрение детандерных агрегатов на газовых месторождениях показало их высокую эффективность и надежность, позволило на практике отработать многие технические решения, применяемые теперь в ДГА [6].
Начиная с 70-х годов прошлого столетия, на ряде газораспределительных станций и газорегуляторных пунктов промышленных предприятий Западной Европы, США, а также других стран, стали достаточно широко внедряться детандер-генераторные агрегаты. На сегодняшний день в мире известно более двухсот установок с использованием газорасширительных машин [7-27].
Необходимо заметить, что как агрегаты для получения низких температур промышленные детандеры были известны достаточно давно и широко использовались в криогенной технике [28-31]. Однако их назначением в криогенных установках не являлось производство электроэнергии.
В большинстве указанных публикаций [7, 8-14, 16-27] приведены описания и опыт эксплуатации действующих установок, отмечены их высокие тепловая эффективность и экономические показатели. Электрические мощности описываемых установок находились в диапазоне от нескольких сот до нескольких тысячи киловатт.
Так, в США работы по созданию ДГА начались в конце семидесятых годов [7]. В 1982 году фирмой «Rotoflow Corporation» была введена в строй в Калифорнии первая установка с мощностью электрогенератора 250-300 кВт. Турбодетандер - одноступенчатый, центростремительный с частотой вращения ротора 18000 об/мин. Для обеспечения частоты вращения электрогенератора, равной 3600 об/мин, применялся одноступенчатый редуктор. Аналогичная установка той же фирмы мощностью 4000 кВт была внедрена также в Калифорнии в 1983 году. Давление газа на входе в турбодетандер - 11 МПа, на выходе из турбодетандера - 4,14 МПа.
Выпуск детандер-генераторных агрегатов освоен также фирмами Канады. Выпускаются четыре типоразмера от 50 до 500 кВт. Применение нашли в основном осевые одноступенчатые высокооборотные детандеры.
В ряде стран Европы с 1973 по 1995 год было внедрено около пятидесяти установок с использованием газорасширительных машин [8]. Детандер-генераторные агрегаты установлены на сегодняшние день в Италии, Голландии, Германии, США, странах Азии.
Первые исследования детандер-генераторной технологии были проведены в странах Запада [32-45].
Во всех приведенных публикациях описываются установки, подогрев газа в которых производится теплотой высокого температурного потенциала, полученной при сжигании топлива.
В [33] описан детандер - генераторный агрегат, работающий на ГРС Эвинг (г. Дортмунд, Германия) с 1989 г., совмещенный с 4 блочными газомоторными теплосиловыми агрегатами. Расширение магистрального природного газа в количестве 60000 нмЗ/ч с 40...50 бар до 4... 16 бар происходит в турбодетандере, соединенном с электрогенератором мощностью 3,26 МВт. Из 4135 кВт теплоты, необходимой для нагрева природного газа перед детандером, 2776 кВт отводится от 4-х газомоторных теплосиловых агрегатов общей электрической мощностью 1,824 МВт, 1059 кВт - из котельного агрегата, 300 кВт - из системы охлаждения электрогенераторов.
В одноступенчатом турбодетандере постоянного давления, рассматриваемом в [35], осуществляется предварительный двухступенчатый подогрев газа перед детандером от 7 до 65 С в 1 -ой ступени и до 90 С - во 2-ой ступени в газоводяных подогревателях. В турбодетандере давление срабатывается от 40 до 3,1 бар. При этом газ охлаждается до -18 С. После ТД газ подогревается в теплообменнике до +10 С. Максимальный расход газа через турбодетандер 16 16000 мЗ/ч (8880 кг/ч). Потребное удельное тепло для подогрева газа - 270 кДж/кг. Из них 210 кДж/кг - подогрев перед детандером, 60 кДж/кг - после него. По данным авторов, фактический расход тепла на производство 1 кВт ч электроэнергии составляет 1,14 кВт
Работа [44] посвящена рассмотрению перспектив внедрения ДГА в ФРГ, существующих в этой связи проблем и преимуществ такого рода установок.
Автор утверждает, что за счет утилизации давления магистрального газа в Германии возможно получение 270 МВт электрической мощности на детандер-генераторных установках единичной мощностью более 400 кВт. На время публикации статьи было реализовано 29 установок общей мощностью 36 МВт (около 13%). Большинство специально изготовленных для детандирования природного газа турбин имеют высокую удельную стоимость. В то же время существующие простые, в основном оправдывающие себя малые паровые турбины, пригодные для использования при детандировании магистрального газа.
В остальных публикациях описываются хорошие эксплуатационные качества установок и их высокие технико-экономические показатели. В то же время, необходимо отметить, что в указанных публикациях западных авторов не рассматривался вопрос необходимости применения при анализе работы ДГА системного подхода. Установки рассматривались как обособленные, без учета влияния включения ДГА на работу газопотребляющего оборудования. При определенных условиях такой подход может иметь место, но в общем случае влияние включения ДГА на работу газопотребляющего оборудования должно быть учтено.
Структурная схема установки
Основными составными частями установки являются дросселирующее устройство 2; детандер-генераторный агрегат 8; установка трансформации теплоты 4 для подготовки теплоносителя для подогрева газа в детандер-генераторном агрегате. Для передачи потоков энергии и массы в установке используются газопровод 1 высокого давления; газопровод 3 низкого давления; линия 5 подачи газа высокого давления на детандер-генераторный агрегат; линия 12 подачи газа низкого давления от детандер-генераторного агрегата в газопровод 3 низкого давления; линия 6 подачи теплоты низкого температурного потенциала на установку трансформации теплоты; линия 7 подачи теплоты высокого температурного потенциала от установки трансформации теплоты на детандер-генераторный агрегат; линия 10 отвода выработанной электроэнергии от детандер-генераторного агрегата; линия 9 подачи части выработанной электроэнергии на установку трансформации теплоты; линия 11 подачи части выработанной детандер-генераторным агрегатом электроэнергии в сеть.
Установка функционирует следующим образом. Природный газ высокого давления поступает на бестопливную установку по линии 1. Одна часть газа проходит через дросселирующее устройство 2 и поступает по линии 3 низкого давления газа потребителю. Вторая часть природного газа высокого давления подается в детандер-генераторный агрегат 8 по линии 5 газа высокого давления. В детандер-генераторном агрегате газ подогревается перед детандером теплотой высокого температурного потенциала, поступающей по линии 7, после чего подается в детандер. Теплота высокого температурного потенциала поступает в детандер-генераторный агрегат из установки 4 трансформации теплоты, в которой теплота низкого температурного потенциала, поступающая в установку 4 трансформации теплоты по линии 6, преобразуется в теплоту высокого температурного потенциала. В детандере энтальпия газа преобразуется в механическую работу, которая затем преобразуется в генераторе ДГА в электрическую энергию. Газ низкого давления от детандер-генераторного агрегата по линии 12 подается в линию 3 низкого давления газа и, после смешения с газом, прошедшим через дросселирующее устройство 2, направляется потребителю. Произведенная электроэнергия отводится от детандер-генераторного агрегата по линии 10. Одна часть выработанной детандер-генераторным агрегатом электроэнергии по линии 9 подается на установку 4 трансформации теплоты, вторая часть - линии 11 подается в электросеть потребителю. Отвод низкопотенциального теплоносителя осуществляется по линии 13.
Внешними входящими потоками энергии для установки, схема которой приведена на рисунке 2.1, являются: - энергия потока транспортируемого газа на входе в установку; - теплота низкого температурного потенциала, подаваемая в установку трансформации теплоты. Внешними выходящими потоками для этой установки являются: энергия потока транспортируемого газа на выходе из установки; - электроэнергия, выдаваемая в электросеть. Внешние входящие потоки энергии установки находятся в зависимости от внешних выходящих потоков. Так, заданная электрическая нагрузка определяет необходимый расход теплоты низкого температурного потенциала на установку. Внешние входящие потоки энергии установки также находятся во взаимной зависимости. Например, необходимый расход теплоты низкого температурного потенциала на установку зависит от параметров (давления и температуры) транспортируемого природного газа. Связь бестопливных установок генерации электроэнергии с факторами внешней среды определяется следующими параметрами: - параметрами транспортируемого природного газа; температурой теплоты низкого температурного потенциала, подаваемой в установку трансформации теплоты; - заданиями потребителей на поставку электроэнергии; Внутренние потоки энергии установки: - часть выработанной детандер-генераторным агрегатом электроэнергии, передаваемой на установку трансформации теплоты; - теплота, отводимая от установки трансформации теплоты на детандер-генераторный агрегат.
Внутренние потоки энергии установки находятся в зависимости от внешних потоков, как входящих, так и выходящих. Так, доля выработанной установкой электроэнергии, передаваемая на установку трансформации теплоты, находится в зависимости от температуры теплоты низкого температурного потенциала, подаваемой на установку трансформации теплоты.
Математическая модель установки с одноступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ
Технологическая схема бестопливной генерации электроэнергии на базе двухступенчатой ДГА и воздушных ТНУ представлена на рисунке 2.8, структурная схема представлена на рисунке 2.7. Основными составными частями установки на структурной схеме являются дросселирующее устройство 2; детандер-генераторные агрегаты 8 и 18 первой и второй ступеней соответственно; установки трансформации теплоты 5 и 15 для подготовки теплоносителя для подогрева газа в детандер-генераторных агрегатах первой и второй ступеней соответственно. Дросселирующему устройству 2 на технологической схеме соответствует дросселирующее устройство 4, детандер-генераторный агрегат 8 первой ступени на технологической схеме соответствует детандеру 1 и генератору 2, детандер-генераторный агрегат 18 второй ступени соответствует детандеру 23 и генератору 14. Установка трансформации теплоты 5 для подогрева газа перед детандер-генераторным агрегатом первой ступени на технологической схеме представлена воздушным тепловым насосом, который включает в себя: компрессор 9 с электродвигателем 5 для его привода, теплообменник 3 подогрева газа перед ДГА и воздушную турбину 10. Установка трансформации теплоты 15 для подогрева газа перед детандер-генераторным агрегатом второй ступени представлена на технологической схеме воздушным тепловым насосом, который включает в себя: компрессор 17 с электродвигателем 16 для его привода, теплообменник 15 подогрева газа перед ДГА и воздушную турбину 18. Газопровод 1 высокого давления и газопровод 3 низкого давления на технологической схеме соответствуют линиям 12 и 13. Линии 7 подачи газа высокого давления на детандер-генераторный агрегат первой ступени на технологической схеме соответствует линия, соединяющая газопровод 12 высокого давления с теплообменником 3 подогрева газа перед детандер-генераторным агрегатом первой ступени и детандером 1. Линии 13 подачи газа промежуточного давления от детандер-генераторного агрегата 8 первой ступени в детандер-генераторный агрегат 18 второй ступени на технологической схеме соответствует линия, детандер 1 первой ступени с теплообменником 15 подогрева газа перед второй ступенью и детандером 23 второй ступени. Линии 17 подачи газа низкого давления от детандер-генераторного агрегата 18 второй ступени в газопровод 3 низкого давления на технологической схеме соответствует линия, соединяющая детандер 23 второй ступени с газопроводом 13 низкого давления. Линии 4 и 14 подачи воздуха низкого температурного потенциала на установки 5 и 15 трансформации теплоты первой и второй ступеней установки на технологической схеме представлены линиями 8 и 20. Линии 9 и 19 отвода воздуха от установок трансформации теплоты первой и второй ступеней соответственно на технологической схеме представлены линиями 11 и 19. Для передачи теплоты высокого температурного потенциала от установок 5 и 15 трансформации теплоты на детандер-генераторные агрегаты первой 8 и второй 18 ступеней соответственно на технологической схеме предусмотрены теплообменники 3 и 15. Линии 11 и 21 отвода выработанной электроэнергии от детандер-генераторных агрегатов первой 8 и второй 18 ступеней соответственно на технологической схеме представлены линиями 24 и 25. Линии 10 и 20 подачи части выработанной электроэнергии на установки трансформации теплоты первой 5 и второй 15 ступеней соответственно на технологической схеме представлены линиями 6 и 21.
Линии 12 и 22 подачи части выработанной детандер-генераторными агрегатами электроэнергии в сеть первой 8 и второй 18 ступеней соответственно на технологической схеме представлены линиями 22. 1 - детандер; 2 - генератор; 3 - теплообменник подогрева газа первой ступени; 4 - дроссель; 5 - электродвигатель компрессора воздушной ТНУ; 6 -линия подачи электроэнергии к электродвигателю компрессора первой воздушной ТНУ;7 - линия подачи электроэнергии во внешнюю сеть от генератора первой ступени детандера; 8 - вход воздуха в компрессор воздушной ТНУ; 9 -компрессор первой воздушной ТНУ; 10 - турбина первой воздушной ТНУ; 11 -линия отвода воздуха от воздушной ТНУ; 12 - газопровод высокого давления; 13 - газопровод низкого давления; 14 - генератор второй ступени детандера; 15 -теплообменник подогрева газа второй ступени; 16 - электродвигатель привода компрессора воздушной ТНУ; 17 - компрессор второй воздушной ТНУ; 18 -турбина второй воздушной ТНУ; 19 - выход воздуха из турбины второй воздушной ТНУ; 20 - вход воздуха в компрессор второй воздушной ТНУ; 21 -линия подачи электроэнергии к электродвигателю компрессора второй ТНУ; 22 -линия подачи электроэнергии во внешнюю сеть от генератора второй ступени детандера; 23 - вторая ступень детандера, 24 - линия отвода электроэнергии от генератора первой ступени; 25 - линия отвода электроэнергии от генератора второй ступени.
Схема установки бестопливной генерации электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и воздушных тепловых насосов Установка работает следующим образом. Природный газ по магистрали высокого давления 12 поступает на станцию технологического понижения давления. Как правило, для снижения давления газа применяется дросселирующее устройство 4, а также может быть использован детандер-генераторный агрегат, в состав которого входят первая ступень детандера 1, соединенная с электрогенератором 2, теплообменники подогрева газа 3 и 15, а также вторая ступень детандера 23, соединенная с генератором 14. Детандер включается параллельно дросселирующему устройству 4, заменяя его полностью или частично. Снижение давления в детандере осуществляется за счет расширения, при этом возможна выработка электроэнергии в генераторах 2 и 14. Электроэнергия, выработанная в генераторах, отводится по линиям 24 и 25. Природный газ после расширения или дросселирования подается в трубопровод 13 низкого давления. Часть электроэнергии, вырабатываемой первой ступенью ДГА, по линии 6 подается на электродвигатель 5 компрессора 9 воздушной ТНУ, другая часть по линии 7 подается во внешнюю электросеть. Вход воздуха в компрессор 9 ТНУ осуществляется по линии 8. В теплообменнике 3 воздушной ТНУ воздух отдает теплоту природному газу и после подается турбину 10 воздушного теплового насоса и выходит по линии 11. Полученная в турбине 10 механическая работа используется для привода компрессора 9, снижая тем самым потребную электрическую мощность, подводимую к установке от ДГА. Часть электроэнергии, вырабатываемой второй ступенью ДГА, по линии 21 подается на электродвигатель 16 компрессора 17 воздушной ТНУ, другая часть по линии 22 подается во внешнюю электросеть. Вход воздуха в компрессор 17 ТНУ осуществляется по линии 20. В теплообменнике 15 воздушной ТНУ воздух отдает теплоту природному газу и после подается турбину 18 воздушного теплового насоса и выходит по линии 19. Полученная в турбине 18 механическая работа используется для привода компрессора 17, снижая тем самым потребную мощность, подводимую к установке от ДГА.
Сопоставительный анализ термодинамической эффективности бестопливных установок на базе одно- и двухступенчатых ДГА
Термодинамическая оценка выявила схемы установок с максимальной долей электроэнергии, выдаваемой в сеть. Это одно- и двухступенчатые ДГА с парокомпрессионными ТНУ в качестве преобразователей теплоты, работающими на С02. Проведем технико-экономическое сопоставление одно- и двухступенчатых ДГА с парокомпрессионными ТНУ, работающими на С02, и одноступенчатой ДГА с воздушной теплонасосной установкой.
Расчет технико-экономических показателей работы установки проводился для температуры окружающей среды и низкопотенциального источника теплоты, равной 0; 10 и 20С и соотношения давлений на входе и выходе станции технологического понижения давлений 0,8/0,2 МПа. Рассматривалось два случая использования установки. В первом случае электроэнергия, невостребованная ТНУ, продается сторонним потребителям, а во втором - электроэнергия, невостребованная ТНУ, используется на собственные нужды, заменяя полностью или частично покупную электроэнергию. Было также рассмотрено влияние автоматизации установки и количества обслуживающего персонала на показатели эффективности инвестиций.
Расчет показателей финансово-экономической эффективности проведем в соответствии с методологией, изложенной в [148]. Показателями финансово-экономической эффективности инвестиционного проекта с учетом фактора времени являются: чистый дисконтированный доход, внутренняя норма доходности, дисконтированный срок окупаемости и индекс доходности.
Чистый дисконтированный доход (ЧДД) - разность инвестиционных затрат и будущих поступлений, приведенных в эквивалентные условия. ЧДД определяется по формуле: здгг=э,о + )" где (5.1) 1=0 Э, - чистый поток платежей (чистый доход); Е - норма дисконта; э, =oPl-Mt -н,-к, кдик, (5.2) Ор - объем реализованной продукции; и) - издержки без амортизации и финансовых издержек; К, - капитальные вложения в год t; KmK, - ликвидационная стоимость в год t; Ht - налоговые платежи в год t; Внутренняя норма доходности (ВНД) численно равна норме дисконтирования, при которой сумма дисконтированных притоков денежных средств равна величине дисконтированных оттоков денежных средств за расчетный период, включая в себя период строительства и период эксплуатации. По существу, этот показатель характеризует рентабельность проекта с учетом разновременности доходов и расходов, роста цен, выплаты налогов и т.д.
Дисконтированный срок окупаемости (7 ) численно равен периоду времени, в течение которого полностью возмещаются дисконтированные капитальные вложения за счет прибыли, полученной от эксплуатации объекта. Индекс доходности (ИД) проекта представляет собой отношение приведенных доходов к приведенным (на ту же дату) расходам по реализации проекта. Он отражает доход в расчете на единицу инвестиций. Проект можно принять, если индекс рентабельности превышает единицу; проект отвергается, если индекс доходности меньше единицы. Чем выше индекс рентабельности, тем удачнее проект. ИД рассчитывается по формуле: m = - = fi-3l(\ + E)- / К,(\ + ЕУ (5.3) Исходные данные, принятые для расчета: Начало расчетного периода - 1 января 2013 года.
Длительность проектных, монтажных и пусконаладочных работ - 1 год. Капитальные вложения: Расчет стоимости оборудования производился по удельным показателям: - удельная стоимость установленной мощности ДГА - 18 030 руб./кВт (600 $/кВт); - удельная стоимость установленной мощности парокомпрессионной ТНУ -12 108 руб./кВт (300 /кВт); - удельная стоимость установленной мощности воздушной ТНУ - 12 915 руб./кВт (320 /кВт); Курс ЦБ РФ: 1$ - 30,05 руб., 1 - 40,36 руб. Затраты на монтажные и пуско-наладочные работы, дополнительное оборудование, КИП - 25% от общей стоимости установки;
Затраты на извлечение тепла низкого температурного потенциала для парокомпрессионной ТНУ и хладагент- 20% от стоимости установки. Затраты на автоматизацию установки - 20% от общей стоимости основного оборудования. Непредвиденные расходы - 3% от стоимости установки. Ставка дисконтирования - 8,25% (в качестве приближенного значения ставки дисконтирования в расчете использована ставка рефинансирования, установленная ЦБ РФ). Численность обслуживающего персонала для непрерывной работы неавтоматизированной установки с парокомпрессионной ТНУ - 13 чел, а именно: 1 руководитель - 1 человек; 1-ая смена - 5 человек: 3 специалиста (ДГА - тепловик, ТНУ - тепловик, электрик), 2 оперативный персонал; 2-ая смена - 2 человека - оперативный персонал; 3-я смена - 2 человека - оперативный персонал; 4-ая смена - 2 человека - оперативный персонал; группа учета - 1 человек. Численность обслуживающего персонала для непрерывной работы автоматизированной установки с парокомпрессионнои ТНУ - 7 чел, а именно:
Цена на электроэнергию (покупка) руб./тыс. кВт ч 2740 3050 3390 3670 3960 4100 4410 47 Наименование показателя Ед. измерения 2021 2022 2023 2024 2025 2030 Темп инфляции % 3,4 3,4 3,4 3,4 3,4 2,6 Цена на электроэнергию (реализация) руб./тыс. кВт ч 2017 2172 2254 2338 2424 2870 Цена на электроэнергию (покупка) руб./тыс. кВт ч 4960 5300 5530 5740 5950 7320 Налоговые ставки приняты согласно [150] и приведены в таблице 5.2. Таблица 5.2 - Налоговые ставки и облагаемая база
