Содержание к диссертации
Введение
Математические модели комбинированных теплопроизводящих установок и их элементов 17
1.1. Технологические схемы комбинированных теплопроизводящих установок 17
1.1.1. Технологическая схема КТУ с электроприводом. компрессора теплового насоса и пиковым источником тепла 17
Ш'.2; Технологическая схема КТУ, состоящей из теплового насоса и газотурбинной установки: 19
1.1.3. Математические модели комбинированных. теплопроизводящих установок 20
К2: Математические модели элементов теплового насоса 24;
1.2.1; Расчет термодинамических и транспортных свойств рабочего тела тепловых насосов . 24Е
1.2.2;.. Математическая модель компрессора теплового насоса... 26
ІІ.2.3; Математическая модель конденсатора теплового насоса 28
1.2.4: Математическая модель испарителя теплового насоса, использующего в качестве источника низкопотенциального тепла; сбросную воду 31
1.2.5. Математическая модель испарителя теплового насоса, использующего в качестве источника низкопотепцналыюго тепла наружный воздух 33
2. Технико-экономическая оптимизация комбинированных теплопроизводящих установок с учетом переменного характера тепловойнагрузки 37
3: Оптимизационные технико-экономические исследования комбинированных теплопроизводящих установок различных типов 47
3.1; Исходные данные для технико-экономических исследований комбинированных теплопроизводящих установок 47
3.2;. Технико-экономические исследования комбинированной теплопроизводящей установки с приводом от?газовой турбины . 50
3.2.1; КТУ с приводом компрессора теплового насоса от газовой турбины, работающая на сбросной воде 51
3.2.2. КТУ с приводом компрессора теплового насоса от газовой турбины, работающая на наружном воздухе 60
3.3. Результаты оптимизации КТУ с электроприводом компрессора ТНУ, использующей в качестве источника низкопотенциального тепла сбросную воду 73
4. Использование методики оптимизационных технико-экономических исследований кту с учетом переменного характера тепловой нагрузки для выбора варианта теплоснабжения микрорайона «перевал» г. Слюдянка 83
4.1. Исходные данные 83
4.2. Технико-экономические исследования тепло производящих установок на базе ТНУ для теплоснабжения м/р «Перевал» 85
4:3; Сопоставление экономической эффективности вариантов теплоснабжения м/р «Перевал» г. Слюдянка 96
4.3Л. Вариант 1. Теплоснабжение от ТНУ в сочетании с электрокотельной. 96
4.3.2. Вариант 2. Теплоснабжение от ТНУ в сочетании с котельной на жидком органическом топливе. 99
4.3.3. Вариант 3. Теплоснабжение от электрокотельной. 101
4.3.4. Сопоставление вариантов теплоснабжения м/р «Перевал»... 102
Заключение 109
Литература
- Технологическая схема КТУ с электроприводом. компрессора теплового насоса и пиковым источником тепла
- Расчет термодинамических и транспортных свойств рабочего тела тепловых насосов
- Технико-экономические исследования комбинированной теплопроизводящей установки с приводом от?газовой турбины
- Технико-экономические исследования тепло производящих установок на базе ТНУ для теплоснабжения м/р «Перевал»
Введение к работе
Затраты топлива на цели теплоснабжения в нашей стране весьма велики и составляют более 50 %. Значительная часть существующих систем централизованного теплоснабжения используют в качестве источников тепла теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), осуществляющие комбинированное производство тепловой и электрической энергии. В остальных системах источниками тепла служат, как правило, котельные. В них осуществляется: передача тепла:от высокотемпературных продуктов сгорания: органического топлива к теплоносителям (как правило, воде или пару) имеющим относительно низкую температуру.
Однако комбинированное производство: тепла и электроэнергии не всегда целесообразно. Это может быть вызвано особенностями региональных энергосистем, когда потребности в электроэнергии покрываются другими источниками (например, гидроэлектростанциями). Отказ от производства электроэнергии на тепловом потреблении может быть обусловлен неблагоприятной экологической і обстановкой, когда не желателен дополнительный расход топлива, связанный с выработкой электроэнергии. Кроме того, потребители тепла могут быть рассредоточены: или их подключению к ТЭЦ препятствуют особенности местности.
В таких условиях одним: из наиболее рациональных способов повышения энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения является использование: теплонасосных установок (ТНУ), позволяющих с наименьшими затратами комплексно решать проблемы экономии первичных энергоресурсов и снижения: вредных выбросов в окружающую среду.
Тепловой насос осуществляет передачу энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой. ГТоскольку в соответствии со вторым законом термодинамики тепловая
энергия без каких либо внешних воздействий может переходить только с более высокого температурного уровня на более низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи- энергии в направлении, противоположном естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле. Энергоносители, поставляющие тепловую энергию с низкой температурой: для осуществления теплонасосного цикла, называют источниками низко потенциального тепла (ИНТ). В; этом качестве используют наружный или сбросной воздух, грунтовые; поверхностные или сбросные воды, промышленные стоки, тепло грунта и т.п. Энергоносители, воспринимающие в- теплонасосном- цикле тепловую- энергию- повышенного потенциала, называют приемниками тепла. Для ТНУ, используемых для теплоснабжения, в качестве приемников тепла используют воду или воздух.
Среди различныхгтипов тепловых насосов наибольшее распространение получили; парокомпрессионные установки. Единичные мощности их составляют от нескольких ватт до десятков мегаватт. Для привода компрессора парокомпрессионной ТНУ используют электродвигатели и двигатели внутреннего и внешнего1 сгорания (газовые или на. жидком-органическом? топливе). В крупных ТНУ возможно применение газотурбинной установки (ГТУ). При этом тепло уходящих газов газовой турбины можно использовать для догрева сетевой воды.
Энергоноситель, служащий источником теплоты, поступает в; испаритель парокомпрессионной ТНУ, где испаряется жидкий хладагент. Теплота испарения, необходимая для этого, отбирается от источника низкопотенциального тепла, т.к. испарение хладогента происходит при низкой температуре. В круговом цикле пары испарившегося хладогента: всасываются компрессором и сжимаются до высокого давления. При сжатии их температура повышается, что- создает возможность отдачи тепловой энергии теплоприемнику. Пары хладогента при повышенном давлении
поступают в конденсатор, через который протекает энергоноситель, служащий приемником тепла. Его температура ниже температуры паров хладогента при повышенном давлении. При конденсации пара выделяется тепловая: энергия, воспринимаемая теплоприемником. Из конденсатора жидкий хладогент через регулирующий вентиль (дроссельный клапан) или детандер поступает в испаритель, и круговой, цикл замыкается. Ві регулирующем вентиле высокое давление, при котором находится хладогент на выходе конденсатора, снижается до давления в испарителе. В:детандере при этом производится механическая работа. Таким образом, с помощью теплового насоса возможна передача тепловой энергии от источника теплоты; с низкой-температурой- к приемнику теплотььс высокой-температурой при-подводе извне механической энергии для привода компрессора.
Режим работы установки, когда* потребности в тепле покрываются только от ТНУ, называют моновалентным. В бивалентных системах, или комбинированных ^ теплопроизводящих установках (КТУ) тепло производится двумя независимыми устройствами. Следует отметить, что моновалентные ТНУ применяются в основном; в системах отопления, в которых теплоноситель имеет относительно низкую температуру (напольные, стеновые и т.п.). Когда тепло отпускается в виде горячей воды, имеющей более высокую температуру (например, по температурному графику 95/70 С) чаще применяют бивалентные системы отопления, т.к. использование дорогостоящей ТНУ для: покрытия пиковой части графика, тепловой нагрузки, имеющей, как правило, малую продолжительность, является нерациональным.
Значительные экономические и экологические достоинства ТНУ делают их перспективной технологией в области теплоснабжения для большинства регионов и стран мира. В настоящее время во многих странах находится в эксплуатации значительное число теплонасосных установок различных типов [15, 40, 69, 71, 76, 78, 84, 89, 92]. Причем их количество с каждым годом
возрастает. Общее число ТНУ в мире к настоящему времени оценивается в 64 млн. штук [71]. Например, в 1996 году в Германии было установлено почти 2 тыс. тепловых насосов, причем 93% в коммунальном секторе, 5% на промышленных предприятиях [96]. Правительства некоторых стран (Германия, Швейцария); через национальные программы энергосбережения оказывают существенную поддержку домовладельцам применяющим ТНУ [40, 88, 89]. Следует отметить, что большая часть (около 68%) новых ТНУ имеют тепловую мощность в пределах до 15 кВт, что соответствует потребностям в тепле отдельного дома с отапливаемой? жилой площадью 140 м [76]. В тоже время, в эксплуатации находятся достаточно крупные теплонасосныетустановки: Ведутся- активные- работы по- переоборудованию -существующих систем централизованного отопления, использующих в, качестве источника тепла котельные, на теплоснабжение от комбинированных установок, включающих ТНУ.
В Швеции расположена одна из крупнейших отопительных станций, утилизирующая тепло сбросной воды очистительных устройств посредством четырех тепловых насосов по 50 МВт каждый и снабжающая теплом пригород г. Ґетеборга [40; 61]. В Цюрихе (Швейцария) работает ТНУ тепловой мощностью 13 МВт, причем в качестве источника низкотемпературного тепла ей служит речная вода, а теплонасосная установка работает в комбинации с котельной на органическом топливе [95]. В Германии, в городе Дюссельдорфе работают две достаточно крупные ТНУ, использующие в качестве: источника низкотемпературного тепла атмосферный воздух [86].
Использование тепловых насосов в нашей стране значительно отстает от их использования за рубежом. Это обусловлено тем, что энергетическая политика в нашей стране длительное время ориентировалась на централизованное электро- и теплоснабжение. В сочетании; с низкими ценами на органическое топливо это препятствовало широкому внедрению
ТНУ. Однако сближение мировых и внутренних цен на топливо и рост тарифов на тепло, отпускаемое потребителям из систем -централизован но го теплоснабжения, является причиной возросшего интереса к ТНУ, который наблюдается в последние годы в нашей стране [15, 40, 60].
Вопросам исследования тешюнасосных установок различных типов и их функционирования в составе систем теплоснабжения посвящено значительное количество работ, выполненных как; в нашей стране, так и за рубежом.
Наибольшее число- этих работ посвящено вопросам оценки термодинамической эффективности ТНУ и определению экономии топлива и электроэнергии- в- системах теплоснабжения- при- включении^ в их- состав-теплонасосных установок [1, 27, 48, 49, 57, 62, 75^ 78]1
В: ряде работ рассмотрены, вопросы экономической эффективности использования ТНУ в системах теплоснабжения-[63, 65,.79, 82, 83, 91]1 Прш этом; учитывается; экономия затрат за счет, снижения расхода топлива и: необходимость-дополнительных капиталовложений1 в достаточно дорогое теплонасосное оборудование. Следует подчеркнуть, что: в указанных выше; работах обоснование конструктивных характеристик тепловых насосов не производится, а все расчеты осуществляются для тепловых насосов с заранее известными характеристиками.
Ряд работ [51, 85, 90^ 93]- посвящен, расчетам изменения, термодинамических; параметров; и экономических.характеристик;тепловых насосов, вызванным переходом на озонобезопасные хладоны.
В силу сложности процессов, протекающих: в элементах КТУ, в;состав которой входит ТНУ, и переменного характера режимов ее работы выбор ее конструктивных характеристик и параметров, определяющих режимы работы, является весьма сложной; задачей.. Принятие обоснованных технических решений по таким установкам может быть выполнено только на
основе широкого использования методов математического моделирования и оптимизации.
Разработки методов математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок. (ТЭУ) ведутся как в нашей стране, так и * за рубежом на протяжении нескольких десятилетий. Здесь, в первую очередь следует отметить работы таких ученых, как Г.Б. Левенталь, Л.С. Попырин, А.А. Палагин, Л. А. Шубенко-Шубин, Г.Б. Усынин, В.П. Бубнов, Ю.В. Наумов, А.М: Клер, HJZ Деканова, М.А. El-Masri, W.F. Stoecker,.V. Grovic, С. Frangopoulos и др. [2, 4, 6, 22, 28-34; 38, 39,41-46, 58, 59, 67, 68, 70, 77, 94].
Были созданы эффективные методы оптимизации параметров энергоустановок, подходы- к оптимизации- схем; методы автоматизированного построения: математических моделей. Предложены методы декомпозиции,- позволяющие поэтапно проводить оптимизацию параметров, технологических связей и внутренних параметров элементов г ТЭУ. Выполнены многочисленные оптимизационные исследования теплоэнергетических установок разных типов: паротурбинных, газотурбинных, парогазовых на органическом и ядерном топливе, а так же комбинированных энерготехнологических; установок, предназначенных для производства искусственного жидкого топлива и электроэнергии [16, 28, 29].
В Институте систем энергетики Сибирского отделения Российской Академии наук: (ИСЭМ СО РАН) на протяжении длительного времени; разрабатывались методы построения математических моделей сложных ТЭУ и методы оптимизации их схем и параметров. В работах Г.Б. Лёвенталя, Л.С. Попырина, Ю.В: Наумова, СМ. Каплуна [16, 22, 28, 32, 33, 41-44] разработаны методы комплексной оптимизации: теплоэнергетических установок и схем. Выполнены многочисленные исследования паротурбинных и парогазовых установок, атомных электростанций. В ИСЭМ СО РАН разработан оригинальный подход к автоматизации построения программ расчета сложных ТЭУ, базирующийся на графовом представлении систем
нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (работы В.Г. Карпова, Л.С. Попырина, В;И. Самусева, В.В. Эпельштейна [16, 17]). Был создан программно-вычислительный: комплекс «Система: машинного построения; программ» (СМПП), позволяющий автоматически генерировать программу расчета сложной ТЭУ на основе графического изображения технологической схемы и архивов математических моделей ее элементов, формировать задачи оптимизации параметров ТЭУ (назначить целевую функцию, а так же оптимизируемые параметры и ограничения-неравенства, задавать возможные границы их изменения).
Достаточно детально вопросы математического моделирования тепловых насосов-рассматриваются-в-ряде-работ. В-работах [74; 81, 87] авторы уделяют значительное внимание разработке математических моделей, элементов теплонасосных установок (компрессоров, испарителей и т.д.). С помощью этих моделей проводятся исследования по улучшению термодинамической эффективности, как отдельных элементов, так и ТНУ в целом.
В работах [64, 74, 80]: с помощью методов математического моделирования проводятся энерго-экономические исследования различных типов теплонасосных установок, использующих различные источники низкопотенциального тепла, и эксплуатируемых в различных климатических зонах. Следует отметить, что в указанных выше работах, расчет теплонасосных установок проводился без оптимизации схемно-параметрических решений по экономическим критериям.
В ряде работ по:исследованию комбинированных теплопроизводящих установок, имеющих в своем составе ТНУ, авторы активно использовали методы математического моделирования и: оптимизации для технико-экономических исследований.
В работах Л.А. Огуречникова [35-37] разработаны методика и алгоритм комплексного термодинамического и технико-экономического обоснования
оптимальных параметров парокомпрессионных и абсорбционных ТНУ. С помощью разработанного алгоритма, реализованного в виде математической модели, определены энергетическая эффективность и экономическая целесообразность использования низкопотенциальных энергоресурсов для; выработки тепловой энергии в парокомпрессионных теплонасосных установках. Выполнен системный анализ по определению границ и областей эффективности парокомпрессионных теплонасосных установок и абсорбционных тепловых насосов. Проведена оценка ? перспектив развития парокомпрессионных тепловых насосов с газовым приводом- Выполнен сравнительный анализ парокомпрессионных тепловых насосов с электроприводом- компрессора- и- абсорбционных тепловых насосов- с паровым обогревом генератора при разных соотношениях цен на электрическую и тепловую энергию.
В работе [66] выполнен термодинамическийанализ реальной установки воздушного теплового насоса. Получены аналитические выражения, связывающие тепловую нагрузку с отношением предельных давлений для цикла Брайтона, по которому работает тепловой насос в условиях постоянной и переменной температуры теплового источника. Анализ учитывает необратимость процесса теплопередачи и потери, связанные с ней; Характеристики оптимальной эффективности цикла были получены оптимизацией; распределения теплообменных поверхностей между теплообменниками и регенерирующего элемента, входящего в состав теплового насоса. Представлены детальные численные примеры, демонстрирующие влияние различных потерь на характеристики цикла теплового насоса. В работе [65] выполнено теоретическое исследование работы теплового насоса, который может получать тепловую энергию от теплового источника, окружающей; среды и потребителя тепла. Введен критерий оптимальности: отношение между «выгодностью» и коэфициентом термодинамической эффективности. Результаты дают теоретическое
обоснование для разработки и использования, различных типов тепловых насосов.. Целью работы была компромиссная оптимизация между экономическими параметрами (выгодностью) и; параметрами* термодинамических циклов.
Достаточно; подробный технико-экономический анализ тепловых насосов и комбинированных теплпроизводящих установок с ТНУ проведен в работах О.Ш: Везиришвили [8-12]. В них автором проведен подробный термодинамический анализ циклов парокомпрессионных тепловых насосов.. Предложены способы и средства повышения их энергетической эффективности. Проведена оптимизация соотношения мощностей теплового насоса и-пикового источника тепла; Оценены перспективы вовлечения-ТНУ в топливно-энергетический комплекс страны и их роль в охран е окружающей среды.
Анализ работ, посвященных исследованию теплонасосных установок и комбинированных теплопроизводящих установок, имеющих в своем составе ТНУ, показывает, что в данном направлении выполнено достаточное количество исследований,. посвященных как термодинамическому анализу, так и технико-экономическим аспектам использования ТНУ в системах теплоснабжения. Для решения поставленных задач некоторыми авторами применялись методики, основанные на методах математического моделирования и оптимизации: В то же время оптимизационным технико-экономическим исследованиям с учетом переменного характера работы теплопроизводящих установок, включающих тепловой насос, не: уделено должного > внимания. Не было разработано необходимых для решения таких задач методических подходов и математических моделей; КТУ с тепловыми насосами, ориентированных на выполнение согласованных конструкторских (с целью определения конструктивных характеристик всех элементов КТУ и суммарных капиталовложений) и поверочных (с целью определения
энергетической эффективности КТУ во всех представительных режимах) расчетов.
Решению указанной выше задачи посвящена данная диссертационная работа.
Целью настоящей диссертационной работы является: Разработка методики оптимизации параметров теплопроизводящеи установки с парокомпрессионным тепловым насосом, учитывающей ее функционирование в течение расчетного периода с переменной тепловой нагрузкой; математических моделей комбинированных теплопроизводящих установок с тепловым насосом, использующих в качестве низкопотенциального источникатепло сбросной-водьги-наружного-воздуха; ориентированных на конструкторские и поверочные расчеты; проведение оптимизационных технико-экономических исследований этих установок с целью определения оптимальных параметров и условий их экономической эффективности.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие, наиболее важные результаты:
1. Методика оптимизации параметров комбинированной теплопроизводящеи установки с тепловым насосом, учитывающая ее функционирование в течение расчетного периода с переменной тепловой нагрузкой,
2.. Математические модели КТУ различных типов (с электроприводом компрессора теплового насоса и пиковым водогрейным котлом, комбинация теплового насоса и газотурбинной установки), с использованием различных источников низкопотенциального тепла.
3. Результаты оптимизационных технико-экономических
исследований комбинированных теплопроизводящих установок различных типов.
Разработанные в рамках данной: диссертационной работы математические модели реализованы в виде программ, используемых в составе; созданного в ИСЭМ СО РАН программно-вычислительного комплекса СМ1І11 для персональных компьютеров. Практическая ценность:
Разработанный методический подход может быть применен как на стадии проектирования новых, так и при реконструкции существующих систем теплоснабжения и теплоисточников. С помощью данной і методики и разработанных математических моделей возможно проведение технико-экономических исследований КТУ с тепловыми насосами с учетом региональных- особенностей.-Апробация работы:
Результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах и обсуждались: на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2002 г., 2003 г., 2004 г.);. на третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (Благовещенск, 2003 г.); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и: использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2004 г.). Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 120 стр.
В первой главе данной работы рассмотрены технологические схемы г комбинированных теплопроизводящих установок: КТУ, состоящей из теплового насоса и газотурбинной установки, и КТУ, состоящей из теплового насоса и пикового; источника тепла.. Представлены разработанные автором математические модели элементов ТНУ: компрессора, конденсатора, испарителя. При этом1 предусматривалась возможность использования в
качестве источника низкопотенциального тепла сбросной воды и наружного воздуха. Приведены, параметры разработанных с помощью СМПП-ПК математических: моделей конструкторского и поверочного расчетов рассматриваемых комбинированных теплопроизводящих установок.
Во второй главе представлена: разработанная; автором совместно с
научным руководителем методика технико-экономической оптимизации,
комбинированных теплопроизводящих установок с учетом переменного
характера- тепловой нагрузки, вызванной изменением температуры
наружного воздуха. Методика состоит из трех этапов. На первом этапе
ищутся; наборы параметров КТУ (наборы конструктивных, решений),
обеспечивающих-максимапьнуюэкономическуюэффективность приусловиит
постоянства тепловых нагрузок на протяжении всего расчетного периода. На
втором этапе, для каждого определенного - ранее конструктивного решения,
проводятся расчеты работы* установки на. множестве представительных
режимов, хорошо- отражающих всю совокупность условий
функционирования КТУ на протяжении расчетного периода. Определяются
годовые расходы топлива; и электроэнергии; На третьем этапе нат основе
данных, полученных на предыдущих этапах, определяется критерий
экономической эффективности при: фактических значениях цены топлива и
электроэнергии.
Третья глава данной работы посвящена* технико-экономическим исследованиям комбинированных теплопроизводящих установок различных типов. Рассмотрены: КТУ, состоящие из теплового насоса и газотурбинной установки, использующие в качестве источника низкопотенциального тепла сбросную воду и наружный воздух (для установки, работающей на наружном воздухе, исследования проведены для двух климатических зон) и КТУ с электроприводом компрессора теплового насоса и пиковым: водогрейным котлом на жидком органическом топливе. Исследования проводились в широком диапазоне изменения цен на. органическое топливо и
электроэнергию. Для каждой из рассмотренных установок проведено сопоставление оптимальных конструктивных решений, полученных при различных ценах на топливо и электроэнергию, по экономическому критерию - цене отпускаемого установкой тепла.
В четвертой главе с помощью методики оптимизационных технико-экономических исследований КТУ с учетом переменного характера тепловой нагрузки проведены исследования теплопроизводящих установок для теплоснабжения м/р «Перевал» г. Слюдянки. Проведено сопоставление экономической эффективности трех вариантов теплоснабжения м/р «Перевал»: ТНУ в сочетании с электрокотельной, ТНУ в сочетании с водогрейной- котельной- на- жидком- органическом- топливе- и отпуск всего-тепла от электрокотельной. Показано, что наилучшие технико-экономические показатели имеет вариант теплоснабжения м/р «Перевал» от установки, состоящей из ТНУ, использующей в качестве источника низкопотенциального тепла сбросную воду очистных сооружений г. Слюдянки, и водогрейной котельной на жидком органическом топливе.
В заключении приведены основные выводы, сделанные на основе проведенных исследований.
Технологическая схема КТУ с электроприводом. компрессора теплового насоса и пиковым источником тепла
Таким образом, весьма перспективной представляется комбинированная теплопроизводящая установка, включающая ГТУ, выхлопные газы которой поступают в; дополнительную камеру сгорания;(использующую в качестве окислителя кислород, содержащийся в этих газах, а при необходимости и кислород дополнительно нагнетаемого в эту камеру воздуха),.водогрейный котел-утилизатор и парокомпрессионный тепловой насос. Причем в котел-утилизатор поступает вода, нагретая в конденсаторе теплового насоса.
Технологическая схема такой установки; изображена на; рис. 1.2.. КТУ состоит из двух частей - теплонасосной установки и газовой турбины с дополнительной камерой сгорания и водогрейным котлом-утилизатором. Для привода компрессора-ТНУиспользуется-газотурбинная-установка, состоящая, из воздушного компрессора 5, камеры сгорания 6 и газовой турбины 7. Выхлопные газы из турбины попадают в дополнительную камеру сгорания 8, в которой при необходимости происходит сжигание дополнительного топлива, далее продукты сгорания идут в водогрейный котел-утилизатор 10 и выбрасываются\ в атмосферу. Сетевая вода, нагретая в конденсаторе: 3, поступает в водогрейный котел-утилизатор 10, в котором происходит ее окончательный догрев до требуемой потребителю температуры.
Технико-экономические исследования представленных выше комбинированных теплопроизводящих установок проводились с помощью методов математического моделирования.. В ИСЭМ- СО РАЫ в течение многих лет разрабатываются; методы автоматизации математического моделирования, ТЭУ и других сложных технических систем непрерывного действия [16, 17]. В основе этих методов лежит представление систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений, описывающих
ТЭУ, в виде двудольного графа, имеющего два вида вершин. Одному виду (обычно их называют белыми вершинами) в соответствие ставится-уравнение, а другому (черным вершинам) - переменные. Наличие связи между черной и белой вершинами показывает, что данная переменная входит в соответствующее уравнение. Если связь ориентирована от белой вершине к черной, то данная переменная определяется из соответствующего уравнения. С использованием алгоритмов теории графов решаются задачи назначения для каждого уравнения переменой, которая из него определяется, проводится выбор итерационно-вычисляемых переменных (для которых задаются начальные приближения) и:определяется последовательность расположения уравнений в программе расчета -установки;
Разработанные в, ИСЭМ СО РАН методы и алгоритмы автоматизации моделирования были реализованы в виде нескольких версий программно-вычислительного комплекса «Система машинного построения программ» (СМПП) для І ЭВМ БЭСМ-4, БЭСМ-6 и персональных компьютеров.. Базой для математического моделирования теплопроизводящих установок являются математические модели элементов их технологических схем.
В данной работе использованы характерные для традиционных теплоэнергетических установок и разработанные ранее в ИСЭМ СО РАН математические модели различных элементов установок (камер сгорания, газовой турбины, водогрейного теплообменника и т.д.) [34]. Кроме того, автором были разработаны новые математические: модели для конструкторского и поверочных расчетов элементов ТНУ (конденсатора, испарителя, компрессора) [19, 21, 25].
Математические модели элементов оформлены на специальном языке СМПП и включены в архив математических моделей элементов. Модели КТУ строятся с использованием СМПП-ПК. Для каждой такой модели с использованием графического редактора СМПП-ПК создается технологическая схема. На основе анализа элементного состава этой схемы, технологических связей между элементами и математических моделей элементов СМПП-ПК формирует вычислительный процесс и строит программу расчета соответствующей технологической схемы на Фортране.
С помощью СМПП-ПК были построены математические, модели конструкторского и поверочного расчетов следующих теплопроизводящих установок на базе теплового насоса,
1. КТУ с электроприводом компрессора ТНУ и пиковым источником тепла (рис. 1 Л). Состоит из шести элементов технологической схемы. Имеет 163 входных, 133 выходных и 2 итерационно уточняемых параметра в конструкторском расчете и 162 входных, 100 выходных и 3 итерационно-уточняемых параметра в поверочном расчете.
2. КТУ с приводом компрессора ТНУ от газовой; турбины, использующая в качестве источника низкопотенциального тепла сбросную воду (рис. 1.2). Состоит из десяти-элементов-технологической-схемы. Имеет 225 входных, 176 выходных и 3 итерационно-уточняемых параметров в конструкторском расчете и 224 входных, 133 выходных и 7 итерационно-уточняемых параметров в поверочном расчете.
3. КТУ с приводом компрессора ТНУ от газовой турбины, использующая в качестве источника низкопотенциального тепла наружный воздух. Состоит из одиннадцати элементов технологической: схемы.- Имеет 221 входных, 169 выходных и 4 итерационно-уточняемых параметров в конструкторском1 расчете и 241 входных, 142 выходных и 8 итерационно-уточняемых параметров в поверочном расчете.
Исследования рассматриваемых комбинированных теплопроизводящих установок проводились с: помощью блока решения оптимизационных задач, имеющегося в составе СМПП-ПК. Блок позволяет пользователю сформировать- задачу оптимизации - назначить состав оптимизируемых параметров и диапазон і их изменения,, задать целевую функцию (критерий оптимальности), назначить систему ограничений-неравенств, указать требуемую точность решения задачи.
Расчет термодинамических и транспортных свойств рабочего тела тепловых насосов
Коэффициенты полинома подбирались таким образом, чтобы он совпадал с четырьмя ближайшими по значению аргумента базовыми точками. Определение этих коэффициентов сводится к решению линейной системы уравнений с четырьмя неизвестными.
Также была разработана подпрограмма расчета свойств рабочего тела в состоянии насыщения для обратной зависимости (например, температура, как функция от давления Т = f(P), когда известна функция Р = F(T)). Для получения такой зависимости использовался метод Ньютона, суть которого заключается в том, что при некотором значении температуры 7] конечно разностным способом находится производная и искомое значение температуры Ti+l определяется итерационным способом из выражения: 1= :+4 - /-7 , (1.2) Pi -pi T Tt+dt, (1.3) P =F(7]), (1.4) где (//.- пробный шаг по температуре. На основе этой подпрограммы получены обратные зависимости для расчета термодинамических и транспортных свойств рабочего тела в состоянии насыщения.
В области перегретого пара вычисляемый параметр (например, энтальпия, удельный объем, энтропия) рабочего тела является функцией от двух переменных (температуры и давления). Для построения зависимостей такого рода аппроксимируются две ближайшие снизу и сверху изобары (Р, и Р2), давления которых наиболее близки к давлению Р точки, в которой эти параметры вычисляются. Затем из полиномов определяются энтальпии Я, и Н2 при температуре, равной температуре в искомой точке, а искомая энтальпия Я находится из выражения: Р—Р Р - Р Н = Н I—JJL + H.JI-JL. (15) Я-Р2 2 Pv-Рг С помощью метода Ньютона, упомянутого выше, получены обратные зависимости, определяющие параметры рабочего тела в области перегретого пара по известной энтальпии или энтропии и давлению.
На основе разработанных подпрограмм расчета зависимостей для различных областей рабочего тела (недогретая до кипения жидкость, жидкость на линии насыщения, сухой насыщенный пар и перегретый пар) построены-универсальные зависимости- для расчета- термодинамических и транспортных свойств рабочего тела. В этих подпрограммах, в первую очередь, определяется область, в которой находится искомая точка. В случае если эта область лежит в зоне влажного пара, то некоторый параметр У (удельный объем пара, энтропия, коэффициент динамической вязкости, коэфициент теплопроводности) находится из выражений; Х = Я"Яд/ , (1.6) Y = Y2:X + YV-(\ X), (1.7) где X - влажность пара; Yx- параметр для жидкости рабочего тела на линии насыщения; Y2 - параметр для сухого насыщенного пара рабочего тела; ,Y параметр в искомой точке; НГНКХ,Н 2 энтальпии влажного пара, жидкости и пара на линиях насыщения соответственно.
Математическая модель компрессора теплового насоса
Одним из основных элементов парокомпрессионного теплового насоса является компрессор, в котором происходит процесс сжатия рабочего тела. При конструкторском расчете компрессора известными предполагаются входные расход, давление и энтальпия рабочего тела и его выходное давление, а вычисляются - выходная энтальпия рабочего тела и максимальная механическая мощность компрессора. Математическое представление процесса сжатия рабочего тела описывается следующими зависимостями: Sl= fspi(pl Л1), (1.8) Had=fips{P2,Sx\ (1.9) я, = я + (я "-я (110) N=G(H2-Hiy (1и) где S - энтропия; N -мощность; r\ots - внутренний относительный КПД компрессора; цт механический КПД компрессора; Had - энтальпия рабочего тела в конце идеального (адиабатического) процесса сжатия до выходного давления, Р — давление; G— расход; Н— энтальпия рабочего тела. Здесь и далее, надстрочными индексами «1» помечаются входные параметры, а «2» - выходные. Запись вида (1.8) означает, что определение параметра (в данном случае энтропии) производится с помощью подпрограмм расчета термодинамических и транспортных свойств рабочего тела тепловых насосов, описанных выше. Подстрочный индекс формального параметра «f» показывает, какая подпрограмма используется для расчета.
В поверочном расчете компрессора известными предполагаются входные расход, энтальпия и давление рабочего тела, а вычисляются -выходные энтальпия и давление рабочего тела и механическая мощность компрессора. Давление на выходе определяется по формуле Флюгеля (с ограничением на предельную степень сжатия):
Технико-экономические исследования комбинированной теплопроизводящей установки с приводом от?газовой турбины
Технологическая схема рассматриваемых установок приведена на рис. 1.2 . Особенностью таких КТУ является то, что для привода компрессора ТНУ используется газовая турбина, а выхлоп ГТУ используется для догрева сетевой воды до требуемой потребителю температуры. Так как эта установка для производства тепла потребляет только органическое топливо (природный газ), то ее оптимизация проводилась с помощью задач (2.38) - (2.47), (2.54) -(2.58) и (2.65) -(2.68)..
Исследования проводились для установок с расчетной теплопроизводительностью 50 Гкал/ч. КТУ такой теплопроизводительности может служить источником тепла отдельного микрорайона города или достаточно крупного населенного пункта (160 - 170 пятиэтажных 60-ти квартирных домов).
Расчетный период (год) разбивался на четыре интервала. Для каждого интервала задавался представительный режим. Этот режим характеризовался средней для интервала температурой наружного воздуха. В табл. 3.3 приведены годовые продолжительности представительных режимов и параметры сетевой воды для суммарной расчетной тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения 50 Гкал/ч при температурном графике 95/70 С. В неотопительный период доля горячего водоснабжения составляет 80% от доли ГВС в отопительный период.
В качестве источника низкопотенциального тепла КТУ используется сбросная вода с постоянной в течение года температурой, равной 15 С или наружный воздух. Охлаждение сбросной воды допускалось до температуры не ниже 5 С. Температуры наружного воздуха в принятых представительных режимах приведены в табл.3.3.
Расчет конструктивных характеристик установки проводился при различной цене топлива, изменяемой в интервале от 10 до 175 дол./т у. т. Цена топлива для каждого конкретного варианта конструкторского решения: приведена в табл. 3.4:
Вектор оптимизируемых параметров; конструкторского расчета данной КТУ входят: концевые температурные напоры конденсатора и испарителя ТНУ, давления конденсации и испарения ТНУ, расходы газа в основную и дополнительную камеры сгорания, размеры котла-утилизатора (ширина; и глубина), давление газа на выходе газовой турбины. Всего на данном этапе оптимизировалось 8 параметров.
Вектор ограничений-неравенств; конструкторского расчета включает ограничения на температурные напоры котла-утилизатора, температуру охлаждаемой воды в испарителе, ограничение снизу на содержание кислорода в уходящих газах газовой турбины, ограничения на скорости газа на входе и выходе котла-утилизатора и др. Всего учитывалось. 29 ограничений-неравенств.
Вектор конструктивных характеристик установки включает площади поверхностей нагрева конденсатора, испарителя и котла-утилизатора, числом и длину их труб, номинальные расходы рабочего тела и давления нат входе и выходе газовой турбины фреонового и воздушного компрессоров и др.
В табл. 3.4 приведены результаты: решения задачи первого этапа оптимизации КТУ с приводом от газовой турбины, использующей в качестве источника низкопотенциального тепла сбросную воду.
Анализ решения первого этапа оптимизации КТУ показывает, что с ростом цены топлива доля теплового насоса в теплопроизводительности установки возрастает: Возрастают такие определяющие капиталовложения параметры как вес труб теплообменников ТНУ, котла-утилизатора, механическая мощность компрессора ТНУ и газовой турбины. Это приводит к увеличению капиталовложений в установку. Увеличивается расход; газа= в основную камеру сгорания КТУ, а: в дополнительную - уменьшается и при стоимости топлива выше 175 дол./т у.т. он сводится к нулю. В то же время,1 суммарный расход топливаКТУ уменьшается с ростом его стоимости.
Для каждого конструктивного решения, представленного=в табл. 3.4, на втором этапе решается- задача минимизации расхода топлива: в. первом, третьем и четвертом представительных режимах.
Вектор оптимизируемых параметров каждого поверочного расчета включает расход газа в дополнительную камеру сгорания, расход воды через испаритель и коэффициент дросселирования пара после компрессора. Всего на этом этапе оптимизировалось 3 параметра.
Вектор ограничений-неравенств содержит ограничение снизу на, содержание кислорода в уходящих газах после дополнительной камеры, сгорания; на.температуру охлаждаемой воды после испарителя, ограничение: на температуру металла труб котла-утилизатора и др. В сего учитывалось 25 ограничений-неравенств.
В качестве: примера; в табл. 3.5 приведены = значения основных параметров КТУ в представительных режимах № 1,3 и 4 для оптимального конструктивного решения, полученного на первом этапе при цене топлива. 100 дол./т у.т. (пятый вариант конструктивных характеристик).
Технико-экономические исследования тепло производящих установок на базе ТНУ для теплоснабжения м/р «Перевал»
Высокая себестоимость тепла в системе теплоснабжения г. Слюдянка, в сочетании со сложной экологической обстановкой обусловлены использованием малоэффективных угольных котельных. Это вызывает необходимость проведения исследований, направленных- на изучение возможности использования современных эффективных энергосберегающих технологий- получения тепловой: энергии, в первую очередь теплонасосных установок [23].
Наиболее перспективным представляется использование ТНУ в системе теплоснабжения м/р «Перевал», что связано со следующим. Котельная «Перевал» предназначалась для обеспечения теплом предприятия «Перевал» и теплоснабжения м/р «Перевал». В котельной установлено 3 паровых котла (2 котла KE-6.5-14G паропроизводительностью 6.5 т/ч; и котел ДКВР-10/13 паропроизводительностью 10 т/ч). В настоящее время предприятие «Перевал» получает тепло от электрокотельной и единственным потребителем тепла угольной; котельной является м/р «Перевал», получающий тепло по тепловой магистрали длиной 3.5 км: В котельной, как правило, работает один котел; причем значител ьную І часть. года е го; нагрузка существенно меньше номинальной. В связи с этим среднегодовой КПД котлов существенно ниже паспортного (около 65%, вместо 75%). Велики потери тепла в тепловой магистрали. В результате КПД системы котельная
«Перевал» + тепловая магистраль до микрорайона «Перевал» составляет около 43%. Этим объясняется крайне высокий расход топлива на котельной.
В связи со значительной номинальной мощностью котельной на ней велики5 издержки на амортизацию, заработную плату, ремонт и другие составляющие условно-постоянных издержек; Из-за малой загрузки котельной и значительных потерь при транспортировке тепла себестоимость ее энергии составляет 628 руб./Ткал (данные за 2002 г.). В месте с тем, в непосредственной близости от микрорайона спроектированы и строятся новые очистные сооружения г. Слюдянки. Таким образом, в м/р «Перевал» г. Слюдянки сложились благоприятные условия для использования в качестве теплоисточника, теплонасосной. установкиL сбросная, вода: очистных сооружений используется в качестве источника низкопотенциального тепла, ТНУ, а производимое тепло отдается в существующую систему теплоснабжения м/р «Перевал». Длина трубопровода, который должен соединить ТНУ с существующим тепловым пунктом м/р «Перевал» составляет около 400 м.
КТУ, получающая низкопотенциальное тепло от сбросной воды очистных сооружений г. Слюдянка, должна отпускать тепло в виде горячей (сетевой) воды по температурному графику 95/70 С. Эта сетевая вода поступает жилищно-комунальным потребителям, подключенным в. настоящее время к угольной котельной «Перевал». Суммарная; расчетная тепловая; нагрузка указанных потребителей составляет 5,5 Гкал/час, по данным ОКСа администрации г. Слюдянки. Доля горячего водоснабжения в указанной тепловой нагрузке составляет 15 %.
В табл. 4.1 представлены параметры сетевой воды потребителей КТУ в пяти представительных режимах. Продолжительность этих режимов и-соответствующая им средняя температура наружного воздуха определялась на основании климатических данных для города Слюдянка [54]. Причем, первый представительный режим; соответствует расчетной температуре наружнего воздуха в г. Слюдянка для систем отопления (- 28 С), а пятый режим неотопительному периоду.
В качестве источника низкопотенциального тепла ТНУ используется сбросная вода очистных сооружений г. Слюдянка. Средний расход этой воды по данным ОКСа администрации г. Слюдянки составляет 6000 м3/сут (250 т/ч). Температура очищенной воды" составляет не менее 12 С. Минимально-допустимая температура этой воды после испарителя ТНУ (по условиям недопущения замерзания воды в сбросных трубопроводах) составляет 5 С. Исходя из этого среднечасовой потенциаа тепла, которое может быть отобрано от низкопотенциалыюго источника составляет 1.75 Гкал/час.
