Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературных источников, посвященных тематике исследования 10
1.1 Тригенерационные установки 10
1.2 Детандер-генераторные агрегаты 17
1.3 Теплонасосные установки 28
1.4 Объект исследования 33
1.5 Предмет исследования 33
1.6 Исследовательские средства, необходимые для решения задачи 34
1.7 Этапы проведения исследования 34
2 Природа и теория функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе ДГА и ТНУ. Разработка схем установок 36
2.1 Схемы бестопливной тригенерационной установки с совместной генерацией теплоты и холода 42
2.1.1 Структурная схема установки 42
2.1.2 Структурные схемы элемента тригенерационной установки, предназначенного для генерации теплоты и холода 44
2.1.3 Технологическая схема тригенерационной установки 51
2.2 Схемы бестопливной тригенерационной установки с раздельной генерацией теплоты и холода 56
2.2.1 Структурная схема установки 56
2.2.2 Технологическая схема тригенерационной установки 59
2.3 Схемы тригенерационной установки с раздельной генерацией теплоты и холода на базе ДГА, ТНУ и котельного агрегата 62
2.3.1 Структурная схема тригенерационной установки 63
2.3.2 Технологическая схема тригенерационной установки 65
3 Разработка математических моделей и алгоритмов расчета параметров работы тригенерационных установок 68
3.1 Критерии оценки эффективности работы тригенерационных установок 68
3.2 Условия моделирования 71
3.3 Математическая модель бестопливной тригенерационной установки с ДГА и двумя парокомпрессионными ТНУ 73
3.3.1 Математическое описание детандер-генераторной установки 73
3.3.2 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-1 74
3.3.3 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-2 75
3.3.4 Баланс электроэнергии в установке 76
3.3.5 Эффективность установки 77
3.4 Алгоритм расчета параметров работы бестопливной тригенерационной установки с ДГА и двумя парокомпрессионными ТНУ 79
3.5 Математическая модель бестопливной тригенерационной установки с ДГА и тремя парокомпрессионными ТНУ 87
3.5.1 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-2, предназначенной для выработки холода 87
3.5.2 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-3, предназначенной для выработки теплоты 88
3.5.3 Баланс электроэнергии в установке 89
3.5.4 Эффективность установки 90
3.6 Алгоритм расчета параметров работы бестопливной тригенерационной установки с ДГА и тремя парокомпрессионными ТНУ 92
3.7 Математическая модель тригенерационной установки с ДГА, двумя парокомпрессионными ТНУ и котельным агрегатом 96
3.7.1 Математическое описание котельного агрегата 96
3.7.2 Баланс электроэнергии в установке 97
3.7.3 Эффективность установки 98
3.8 Алгоритм расчета параметров работы тригенерационной установки с ДГА,
двумя парокомпрессионными ТНУ и котельным агрегатом 100
4 Термодинамический анализ схем тригенерационных установок 103
4.1 Оптимизация распределения подогрева газа в ДГА 104
4.2 Результаты расчета параметров работы установок в режиме №1 112
4.3 Результаты расчета параметров работы установок в режиме №2 120
5 Технико-экономическая оценка эффективности инвестиций в строительство тригенерационных установок 129
5.1 Критерий оценки технико-экономической эффективности работы тригенерационных установок 130
5.2 Исходные данные 131
5.3 Оценка капитальных вложений 136
5.4 Показатели технико-экономической эффективности работы установки 142
Заключение 148
Список сокращений и условных обозначений 151
Список литературы 152
- Детандер-генераторные агрегаты
- Структурная схема установки
- Математическая модель бестопливной тригенерационной установки с ДГА и двумя парокомпрессионными ТНУ
- Показатели технико-экономической эффективности работы установки
Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется государственной энергетической политикой Российской Федерации, закрепленной «Энергетической стратегией России на период до 2030 года». Одной из целей государственного регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности является снижение потребления невосполняемых энергоносителей (углеводородов) на единицу вырабатываемой продукции. В связи с этим энергетическая стратегия предусматривает: увеличение доли нетопливных источников энергии в потреблении первичных топливно-энергетических ресурсов; развитие малой и децентрализованной энергетики; снижение негативного воздействия электроэнергетики на окружающую среду на основе применения наилучших технологий; модернизацию и развитие систем децентрализованного теплоснабжения с применением высокоэффективных установок, в том числе теп-лонасосных; развитие систем распределенной генерации тепла с вовлечением в теплоснабжение возобновляемых источников энергии.
Для решения поставленных задач целесообразно применять перспективные способы производства электрической энергии, одним из которых является детандер-генераторная технология, основанная на использовании технологических перепадов давления транспортируемого природного газа для выработки электроэнергии при помощи детандер-генераторных агрегатов (ДГА) на станциях технологического понижения давления газа в системах газоснабжения. Область применения ДГА включает в себя газораспределительные станции (ГРС), газорегуляторные пункты (ГРП) и компрессорные станции (КС) всех крупных потребителей газа.
В последние годы в нашей стране и за рубежом детандер-генераторной технологии уделяется большое внимание. Были разработаны различные схемы установок на базе детандеров, в том числе с применением тепловых насосов, обеспечивающих выработку как электроэнергии, так и теплоты. Однако вопросы обеспечения работы такого рода установок в режиме тригенерации, т.е. с одновременным производством электроэнергии, теплоты и холода, не рассматривались. Использование тригенерационных технологий позволит не только снизить энергоемкость производства электроэнергии, теплоты и холода по сравнению с их раздельной генерацией, но и повысить экологические характеристики современных технологических комплексов.
В рамках диссертационного исследования разработан метод бестопливной одновременной генерации электроэнергии, теплоты и холода за счет использования технологических перепадов давления транспортируемого природного газа и низкопотенциальной теплоты вторичных энергетических ресурсов и/или окружающей среды, а также предложен способ реализации данного метода на установках, включающих в себя детандер-генераторные агрегаты и тепловые насосы. Проведен анализ термодинамической эффективности работы предложенных впервые схем тригенерационных установок на базе детандер-генераторных агрегатов и тепловых насосов.
Степень разработанности темы исследования достаточно высока при принятых при выполнении работы условиях. Предложены как структурные, так и технологические схемы тригенерационных установок. Рассмотрены вопросы подогрева газа в детандер-генераторном агрегате за счет теплоты низкого температурного потенциала с использованием преобразователей теплоты и без них. Рассмотрены различные способы генерации теплоты и холода в тригенераци-онных установках с применением различного оборудования. Отмечены преимущества и недостатки представленных технических решений, позволяющие определить оптимальные условия для реализации того или иного решения.
Цели и задачи исследования. Цель исследования заключается в разработке перспективной структуры энергетических систем и комплексов, способствующей повышению их экономичности, эффективности и снижению вредного воздействия на окружающую среду. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.
-
Разработать методики определения показателей эффективности работы бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.
-
Выполнить термодинамический анализ схем тригенерационных установок.
-
Провести оценку технико-экономической эффективности тригенерацион-ных установок.
Научная новизна работы
-
Разработаны научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.
-
Разработаны методики определения эффективности бестопливных тригене-рационных установок.
-
Проведен анализ термодинамической эффективности схем тригенерацион-ных установок.
-
Проведена оценка экономической эффективности инвестиций в строительство установок.
Теоретическая значимость работы состоит в сформулированных впервые научных основах технологии бестопливной тригенерации, принципах функционирования бестопливных тригенерационных установок, а также в предложенных методиках определения эффективности работы установок, основанных на разработанных математических моделях и алгоритмах расчета параметров и критериев эффективности работы установок.
Практическая значимость работы определена разработанными схемами бестопливных тригенерационных установок на основе ДГА и ТНУ, а также возможностью обеспечения оптимального режима работы установок в различных условиях с применением разработанных методик определения эффективности.
Методология и методы исследования, применяемые в диссертационной работе, включают в себя общенаучные теоретические методы исследования, в том числе: анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, системный анализ.
Положения, выносимые на защиту:
-
научные основы и принципы функционирования бестопливных тригене-рационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;
-
схемы бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;
-
методики определения эффективности работы установок;
-
математические модели тригенерационных установок;
-
алгоритмы расчета параметров работы и критериев эффективности триге-нерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;
-
результаты анализа термодинамической эффективности тригенерацион-ных установок;
-
результаты оценки технико-экономической эффективности инвестиций в строительство тригенерационных установок.
Степень достоверности результатов исследования обусловлена корректным применением допущений при построении математических моделей, опирающихся на фундаментальные и регламентированные общепринятыми нормативными материалами закономерности в области термодинамики, применением современных программных комплексов для определения термодинамических свойств веществ, а также использованием общеизвестной методики проведения технико-экономических расчетов.
Апробация результатов. Результаты работы были представлены на Днях науки в Институте прикладных наук Лаузитц (Wissenschaftstage der Hochschule Lausitz (FH)), г. Коттбус (Hochschule Lausitz, Cottbus), 2011 г. и 2012 г.; VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2012 г.; Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС», г. Москва, 2012 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в промышленности», г. Чебоксары, 2012 г.; VII ежегодной Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования – 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.; VIII Международной научно- технической конференции «Энергия – 2013», г. Иваново, 2013 г.; Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (ХVII Бенардосовские чтения)», г. Иваново, 2013 г.
Основное содержание работы изложено в 15-ти публикациях, в том числе в пяти статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК и двух описаниях патентов на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы.
Текст диссертации изложен на 163 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 27 таблиц.
Детандер-генераторные агрегаты
Тригенерацией называют процесс комбинированного получения электрической энергии, тепла и холода. Тригенерация подразумевает получение трех видов продукции – электроэнергии, теплоты и холода – в одном технологическом комплексе.
Интерес изобретателей к вопросам получения электричества, теплоты и холода в одной установке заметно повысился в период 2007 – 2011 гг. по сравнению с 1998 – 2006 гг. как в России, так и в других странах. В первую очередь, это связано с преимуществами тригенерационных систем. Тригенерация позволяет не только полезно использовать (утилизировать) низкопотенциальную теплоту энергогенерирующих установок, но и повысить их экологические показатели, а в случае сжигания органического топлива – увеличить коэффициент использования топлива. Кроме того, тригенерационные системы являются эффективным средством удовлетворения потребностей потребителя в электроэнергии, теплоте и холоде, необходимых как для реализации технологических процессов различных отраслей промышленности, так и в сфере услуг и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Анализ литературных источников [2 – 21] позволил провести классификацию тригенерационных установок по следующим аспектам: по способу производства продукции; по виду используемого топлива.
По способу производства продукции можно выделить следующие типы тригенерационных установок: установки с сезонным производством видов продукции; установки с одновременным производством электроэнергии, теплоты и холода. По виду используемого топлива тригенерационные установки можно разделить на: установки, работающие на органическом топливе; установки, использующие в качестве топлива возобновляемые источники энергии (ВИЭ); установки, использующие технологический перепад давления транспортируемого газа для выработки электроэнергии.
В установках с сезонным производством видов продукции выработка электроэнергии и теплоты или электроэнергии и холода зависит от времени года. В холодный (зимний) период года установками вырабатывается электроэнергия и теплота, теплый (летний) период года, когда резко возрастает потребность в холоде, установки вырабатывают электроэнергию и холод.
Основу таких тригенерационных установок составляют когенерационные установки, осуществляющие одновременную выработку электроэнергии и теплоты. В качестве когенерационных установок могут использоваться: - газопоршневые агрегаты (ГПА); - газотурбинные установки (ГТУ); - паротурбинные установки (ПТУ).
В холодное время года электроэнергия и теплота, вырабатываемые когенерационной установкой, полезно используются. Количество теплоты, полученное от ГПА, ГТУ или ПТУ, может расходоваться на отопление, горячее водоснабжение, вентиляцию и кондиционирование или быть использовано для технологических нужд.
В теплый период года потребность в теплоте снижается, и при сохранении уровня электрической нагрузки генератора в технологическом цикле возникает избыток вырабатываемой теплоты. Эту теплоту можно использовать для генерации холода. Холод производят абсорбционные холодильные машины (тепловые насосы), потребляющие для этого теплоту когенерационной установки. Таким образом, в течение года потребитель одновременно получает только два продукта: электроэнергию и теплоту, или электроэнергию и холод.
Такой тип установок позволяет создавать локальные энергетические системы, что в некоторых случаях является важным преимуществом. Особенно актуальны эти разработки для энергоснабжения коттеджных поселков, в которых тепловые и холодильные нагрузки в значительной мере зависят от времени года.
К недостаткам таких тригенерационных установок можно отнести сезонную зависимость производства видов продукции в случае, если это не удовлетворяет требованиям потребителя.
Одновременное производство электроэнергии, теплоты и холода также можно осуществлять с использованием когенерационной установки и абсорбционной холодильной машины [3]. В этом случае часть теплоты, вырабатываемой когенерационной установкой, направляется потребителю, а другая часть используется холодильной машиной для генерации холода.
В качестве составной части когенерационных установок также могут использоваться газотурбинные установки. В [4] описана тригенерационная газотурбинная установка, сочетающая в себе газовую турбину и детандер-генераторный агрегат. Входящие в состав установки газовая турбина, воздушный компрессор и турбодетандер расположены на одном валу, выработка электроэнергии осуществляется газовой турбиной при условии сжигания топлива в камере сгорания, а также турбодетандером. Рабочим теплом для детандера является воздух, поступающий из компрессора низкого давления. Выхлоп газовой турбины соединен с теплообменным аппаратом – потребителем теплоты, выхлоп детандера соединен с теплообменным аппаратом – потребителем холода. Таким образом, выработка холода в установке осуществляется за счет снижения энтальпии воздуха в процессе его детандирования.
Производство электроэнергии, теплоты и холода на таких установках не имеет такой сильной зависимости от времени года, как на установках с сезонным производством видов продукции, что является преимуществом. Но следует отметить, что выбор тригенерационной установки должен производиться для конкретных условий потребителя с проведением технико-экономических расчетов. Только в этом случае возможно использовать все преимущества технологии тригенерации.
Структурная схема установки
Принцип действия бестопливной тригенерационной установки с тремя тепловыми насосами аналогичен принципу действия тригенерационной установки с ТНУ для совместной генерации теплоты и холода в части производства электрической энергии. Генерация теплоты и холода в установке осуществляется следующим образом. Для производства теплоты применяется ТНУ-3, в состав которой входят испаритель 23, компрессор 20 с электродвигателем 19, дросселирующее устройство 22 и пароохладитель (конденсатор) 21, являющийся одновременно теплообменником подогрева теплоносителя, направляемого потребителю. Хладагент, находящийся в газообразном состоянии, из испарителя 23 подается в компрессор 20 ТНУ-2. В компрессоре давление и температура хладагента повышаются до необходимых по условиям эксплуатации величин. Из компрессора 20 хладагент направляется в теплообменник подогрева теплоносителя, направляемого потребителю – пароохладитель (конденсатор) 21 ТНУ-2. В пароохладителе (конденсаторе) 21 происходит нагрев направляемого потребителю теплоносителя. Из конденсатора 21 хладагент направляется в дросселирующее устройство 22 ТНУ-2. В дросселирующем устройстве 22 давление хладагента уменьшается до необходимого по условиям эксплуатации, после чего хладагент направляется в испаритель 23. Теплоноситель потребителю 39 направляется из теплообменника 21 по трубопроводу 27; нагреваемый теплоноситель поступает в теплообменник 21 по трубопроводу 25.
Для генерации холода в составе установки предусмотрена холодильная машина ТНУ-2. ТНУ-2 включает в себя испаритель 32 (генерация холода), компрессор 29 с электродвигателем 26, дросселирующее устройство 31 и конденсатор 30. Принцип действия ТНУ-2 аналогичен принципу действия ТНУ-3. Передача холода от испарителя 32 к холодильной камере 28 осуществляется при помощи промежуточного теплоносителя.
Теплота низкого температурного потенциала для теплообменника подогрева газа после детандера, испарителей ТНУ-1, ТНУ-3 и конденсатора ТНУ-2 отбирается из источников 37, 38, 34 и 36 соответственно.
2.3 Схемы тригенерационной установки с раздельной генерацией теплоты и холода на базе ДГА, ТНУ и котельного агрегата
При разработке схем тригенерационных установок, не требующих затрат невозобновляемых ресурсов при установившемся режиме работы, представляют интерес результаты сравнения таких схем со схемами установок, которые не являются условно бестопливными. С целью проведения сравнительного анализа были разработаны схемы тригенерационной установки на базе ДГА, ТНУ и котельного агрегата. В данном случае производство теплоты в тригенерационной установке организуется при помощи газового котла, а производство холода – при помощи холодильной машины. 2.3.1 Структурная схема тригенерационной установки
Структурная схема тригенерационной установки на базе ДГА, ТНУ и котельного агрегата представлена на рисунке 2.7. электроэнергии в сеть; 8 – линия подачи части выработанной детандер-генераторным агрегатом электроэнергии на установку трансформации теплоты для подогрева газа в детандер-генераторном агрегате; 9 – линия подачи части выработанной детандер-генераторным агрегатом электроэнергии на установку трансформации теплоты генерации холода; 10 – установка трансформации теплоты для подогрева газа в детандер-генераторном агрегате; 11 – линия отвода теплоты высокого температурного потенциала от установки трансформации теплоты для детандер-генераторного агрегата; 12 – установка трансформации теплоты для генерации холода; 13 – линия подачи теплоты высокого температурного потенциала потребителю; 14 – линия отвода холода потребителю; 15 –общая линия подачи теплоты низкого температурного потенциала; 16 – линия подачи теплоты низкого температурного потенциала на установку трансформации теплоты для подогрева газа в детандер-генераторном агрегате; 17 – линия подачи теплоты низкого температурного потенциала на установки трансформации теплоты для генерации теплоты и холода; 18 – котельный агрегат; 19 – линия подачи газа на котельный агрегат.
Рисунок 2.7 – Структурная схема тригенерационной установки с детандер-генераторным агрегатом, двумя тепловыми насосами и котельным агрегатом
Структурная схема тригенерационной установки с детандер-генераторным агрегатом, двумя тепловыми насосами и котельным агрегатом включает в себя следующие основные элементы: детандер-генераторный агрегат 6, подключенный параллельно дросселирующему устройству 2; установку трансформации теплоты 10, предназначенную для подогрева газа в детандер-генераторном агрегате; установку трансформации теплоты 12, предназначенную для генерации холода; котел 18, предназначенный для генерации теплоты. Основные элементы схемы соединены между собой и с внешней средой газовыми линиями 1, 3, 4, 5, 19; линиями передачи электроэнергии 7, 8, 9; линиями передачи теплоты 11, 15, 16, 17, 13, а также линий передачи холода 14.
Установка функционирует следующим образом. Природный газ высокого давления поступает на бестопливную установку для одновременной генерации электроэнергии, теплоты и холода по линии 1. Часть газа дросселируется в дросселирующем устройстве 2 и далее направляется по линии 3 потребителю. Вторая часть природного газа высокого давления подается в детандер-генераторный агрегат 6 по линии 4. В ДГА газ подогревается теплотой высокого температурного потенциала перед детандером, после чего подается в детандер. В детандере энтальпия газа преобразуется в механическую работу, которая затем преобразуется в генераторе ДГА в электрическую энергию. После расширения в ДГА часть природного газа по линии 5 подается в линию 3 низкого давления газа и, после смешения с газом, прошедшим через дросселирующее устройство 2, направляется потребителю. Другая часть природного газа подается по линии 19 на котел 18, генерирующий теплоту, отводимую потребителю по линии 13. Одна часть выработанной детандер-генераторным агрегатом электроэнергии по линии 7 подается в электросеть. Вторая часть по линии 8 подается на установку 10 трансформации теплоты, предназначенную для подогрева газа в детандер-генераторном агрегате. Третья часть подается на установку 9 трансформации теплоты, служащую для генерации холода, направляемого потребителю по линии 14. Газ перед ДГА подогревается теплотой высокого температурного потенциала, поступающей по линии 11 от установки 10. Общая линия 15 служит для подачи теплоты низкого температурного потенциала на тригенерационную установку. Из линии 15 теплота низкого температурного потенциала подается на установки трансформации теплоты 10 и 12 по линиям 16 и 17 соответственно.
Математическая модель бестопливной тригенерационной установки с ДГА и двумя парокомпрессионными ТНУ
Температура промежуточного теплоносителя на выходе из испарителя ТНУ-2 в соответствии с принятыми допущениями:
Расчетная температура испарения хладагента в испарителе ТНУ-2: tH = Щ ви-Параметры хладагента на выходе из испарителя ТНУ-2 будут параметрами на линии насыщения и находятся по значению температуры в испарителе tH: Рз2 = f(tj, Ц%х = h32/f = f(tj, s32 = s32" = ftj. 14. Определяются параметры хладагента на выходе из компрессора ТНУ-2. Энтальпия хладагента на выходе из компрессора определяется по формуле (3.47), при этом энтальпия на выходе из компрессора при изоэнтропном сжатии определяется по температуре хладагента и энтропии: СТНУ-2 = Ж + 0 1 ; СтНУ-2 = 327/; №bITHy-2 )t =/РкВЫТНУ-2 ; СТНУ-2 15. Температура хладагента на выходе из конденсатора определяется как звоых = нит + 0к,2 Давление в конденсаторе р3о = /Стну-г; Стну-г энтальпия на выходе из конденсатора/ізо,х тну-2 = ҐРзо зок. 16. Параметры хладагента на выходе из дросселирующего устройства определяются из условия процесса изоэнтальпийного дросселирования: 30, ТНУ-2 — 32 Параметры хладагента на входе в испаритель определяются по энтальпии Л-32 и давлению р32 : Щ = f(Ml; Рз2 s32 = f(Ml; Рзг 17. Определяется расход хладагента в контуре ТНУ-2 из выражения (3.45). 18. Определяется тепловая нагрузка конденсатора из выражения (3.41). 19. Определяется расход теплоносителя теплоты низкого температурного потенциала в конденсатор 30 по формуле (3.40). 20. Определяется мощность собственных нужд ТНУ-2. Мощность, потребляемая компрессором ТНУ-2 определяется по (3.58), мощность насоса, перекачивающего теплоноситель теплоты низкого температурного потенциала, определяется по (3.60). Далее производится расчет теплонасосной установки ТНУ-3, предназначенной для генерации теплоты. 21. Определяется расчетная температура испарения хладагента: tH = tT - 0И. 22. Определяются параметры в основных точках цикла. Параметры хладагента на выходе из испарителя ТНУ-1 будут параметрами на линии насыщения и определяются по значению температуры испарения tH: Р23 = f(tj, /iff = h23/f = f(tj, s23// = ftj. Энтальпия хладагента на выходе из компрессора определяется по формуле (3.55), при этом энтальпия на выходе из компрессора при изоэнтропном сжатии определяется по температуре хладагента и энтропии: Стну-з = 27 + 0ПОд; СТНУ-З = 2Ъ"; (ЧГТНУ-З) =/РкВЫтну-з; СТНУ-З-Температура хладагента на выходе из пароохладителя (конденсатора) определяется как tfiIX = t25 + #ПО,2 Давление в пароохладителе р21 = ft Hy_3; hxTliy_3 , энтальпия на выходе из пароохладителя /ІІГТНУ-З = f(P2i 1іІХ. Параметры хладагента на выходе из дросселирующего устройства определяются из условия процесса изоэнтальпийного дросселирования (равенства энтальпий на входе и выходе из дросселирующего устройства): 21, ТНУ-3 — 23 Параметры хладагента на входе в испаритель определяются по энтальпии h23 и давлению р2з: 2В3 = f(Mf, Р23 52вз = f(M\; Р23 96 23. Расход хладагента в контуре ТНУ-3 определяется из уравнения (3.54). 24. Определяется расход теплоносителя теплоты низкого температурного потенциала в испаритель ТНУ-3 из выражения (3.51). 25. Определяется мощность собственных нужд ТНУ-3. Мощность, потребляемая компрессором ТНУ-3 определяется по (3.59), мощность насоса, перекачивающего теплоноситель теплоты низкого температурного потенциала, определяется по (3.60). . Определяется количество электроэнергии, переданное установкой в сеть, из выражения (3.56) и эксергетический КПД по (3.61). Математическая модель тригенерационной установки с ДГА, двумя парокомпрессионными ТНУ и котельным агрегатом
Объектом моделирования является тригенерационная установка на базе детандер-генераторного агрегата, двух парокомпрессионных тепловых насосов и котельного агрегата, технологическая схема которой представлена на рисунке 2.8.
Математическое описание детандер-генераторного агрегата представлено в п. 3.3.1, математическое описание теплонасосной установки ТНУ-1, предназначенной для подогрева газа перед ДГА, представлено в п. 3.3.2, математическое описание теплонасосной установки ТНУ-2, предназначенной для генерации холода, представлено в п. 3.5.1. Ниже приводится математическое описание котельного агрегата. 3.7.1 Математическое описание котельного агрегата Количество теплоты, переданное тепловому потребителю: QOT = GOT Оот обр . (3.76) Расход топлива на котел: QOT В = -p. (3.77) Расход котловой воды: QOT G»=s—V (3-78) здесь hBX, hBblx - энтальпия котловой воды на входе и выходе их котельного агрегата. Производительность дутьевого вентилятора при условии, что котел работает под наддувом: n (tB +273,15) В = К В -V0 (З 79Ї здесь К3 - коэффициент запаса для дутьевого вентилятора; VB - теоретический объем воздуха, необходимого для сжигания топлива; tB - температура воздуха. 3.7.2 Баланс электроэнергии в установке Количество электроэнергии, переданное установкой в сеть, определяется учетом затрат энергии на приводы компрессоров ТНУ-1, ТНУ-2 и затрат энергии на приводы перекачивающих насосов и дутьевого вентилятора: JV3 = ЫДТА - W&y-l - #ТНУ-2 _ #14 - #15 - #35 - #в - #дв- (3-80) Мощность, потребляемая компрессором ТНУ-1: ЫК ТНУ-І К.пк, ТНУ-1 %3 ) ҐООІЛ /Vfoy-i — (З.оі) Лмех 77эд Мощность, потребляемая компрессором ТНУ-2: /"ХЛ ҐІ,ВЬІХ І-ВЬІХ ЫК ТНУ-2 К.пк, ТНУ-2 %2 ) Q9. /Vfoy-2 — (3.0ZJ ?7мех 77эд Мощность, потребляемая насосом, перекачивающим носитель теплоты низкого температурного потенциала: /-НИТ # ( вых _ вх ) М = Ї , (3.83) Р Ле здесь индекс / принимает значения 14, 15, 35; РнД,Рндх – давления носителя теплоты низкого температурного потенциала на входе и выходе из насоса соответственно; р - плотность носителя теплоты низкого температурного потенциала; ї]е - эффективный КПД насоса. Мощность, потребляемая насосом, перекачивающим котловую воду: GB (р ых - р х) = ии FH, (3 84) Р Це РнХ,РнЫХ – давления котловой воды на входе и выходе из насоса соответственно; р - плотность воды.
Показатели технико-экономической эффективности работы установки
Технико-экономическая оценка эффективности инвестиций в строительство тригенерационных установок позволяет оценить целесообразность реализации предложенных схем, а также выявить их преимущества и недостатки с экономической точки зрения.
Оценка технико-экономической эффективности схем установок проводилась в соответствии с положениями, изложенными в нормативно методических документах [96 – 99]. Основой технико-экономических расчетов является доходный подход. Согласно этому подходу эффективность рассматриваемого проекта определяется величиной ожидаемой чистой прибыли. Базовые положения оценки эффективности проекта включают в себя: рассмотрение проекта на протяжении всего жизненного периода; моделирование денежных потоков; учет фактора времени; учет только предстоящих затрат и поступлений; учет влияния инфляционных процессов.
Критерием, имеющим практическое значение, являются технико-экономические показатели работы тригенерационных установок.
Эффективность инвестиций в проект определяется следующими интегральными показателями: чистый дисконтированный доход, внутренняя норма рентабельности, индекс прибыльности, период окупаемости [98, 99].
Чистый дисконтированный доход (NPV) представляет собой разность дисконтированных поступлений и выплат за расчетный период. Этот показатель учитывает динамику изменения прибыли в течение расчетного периода. Критерием эффективности является положительная величина чистого дисконтированного дохода.
Период окупаемости – это время, за которое поступления от производственной деятельности покроют затраты на инвестиции. Он определяется как момент времени, в который суммарный денежный поток переходит из отрицательной области в положительную, т.е. становится равным нулю.
Дисконтированный период окупаемости (DPB) - это время, требуемое для покрытия всех дисконтированных капитальных затрат за счет получаемого дохода.
Для перевода стоимостей, предоставленных в долларах и евро, принят следующий курс Центрального Банка России на март 2014 г.: доллар – 36,32 руб.; евро – 49,95 руб. [100].
При расчетах были использованы ожидаемые прогнозные цены с учетом инфляционных процессов. Ожидаемый уровень инфляции, прогнозные тарифы на электрическую энергию, теплоту и природный газ приняты в соответствии со «Сценарными условиями развития электроэнергетики на период до 2030 г.» [101] в рамках максимального горизонта планирования расчетов экономической эффективности проекта – 16 лет – с 2015 по 2030 гг. включительно.
Поскольку на территории Российской Федерации рынок холода с установками централизованного холодоснабжения различных категорий потребителей отсутствует, то в рамках диссертационного исследования становится актуальной задача определения стоимости поставляемого потребителю холода.
Цена холода определялась исходя из затрат электрической энергии на привод компрессора ТНУ, производящей только холод с параметрами и в объеме, принятыми в диссертационном исследовании. При этом производимая ТНУ теплота передается воде с параметрами, равными параметрам источника низкопотенциальной теплоты, принятыми при термодинамическом анализе (глава 4). В результате проведенных расчетов было определено, что при принятых условиях расчета для выработки 1 кВт холода необходимо затратить в среднем 0,13 кВт электрической энергии. Таким образом, тариф на холод был принят равным 13% от стоимости электроэнергии.
При расчетах использовался линейный способ начисления амортизационных отчислений в соответствии со статьей 259 НК РФ [102]. Нормы амортизации были приняты на основе классификации основных средств, включаемых в амортизационные группы, утвержднной Постановлением Правительства РФ [103].
Затраты на ремонтно-техническое обслуживание Затраты, связанные с ремонтом и техническим обслуживанием (РТО) оборудования тригенерационных установок, принимаются на основании экспертных оценок пропорционально выработанной электроэнергии в размере 80 руб./МВтч. Экологические платежи
Затраты, связанные с экологическим ущербом, определяются только для варианта тригенерационной установки с котельным агрегатом в составе схемы (схема №3) и связаны с выбросами продуктов сгорания природного газа в атмосферу. Тариф на выбросы диоксида азота определяется Постановлением Правительства РФ №344 от 12.06.2003 [104] и составляет 121,16 руб. за тонну сбрасываемого диоксида азота.
Следует отметить, что при использовании с целью тригенерации схем №1 и №2 выбросы продуктов сгорания органического топлива в атмосферу отсутствуют. Топливная составляющая
Затраты на топливо определяются только для варианта тригенерационной установки с котельным агрегатом в составе схемы (схема №3). В качестве топлива используется природный газ, прогнозная цена топлива приведена в таблице 5.1. Годовой расход топлива на котел составляет 883 008 м3/год.
Прочие расходы
Прочие расходы включают цеховые, общехозяйственные расходы и другие непроизводственные издержки, относимые на себестоимость продукции. Затраты на прочие расходы приняты в размере 3 % от общих годовых эксплуатационных затрат.
Оценка капитальных вложений Оценка капитальных вложений в строительство тригенерационных установок производилась на основе технико-экономических показателей работы установок и включает в себя стоимость основного оборудования, вспомогательного оборудования и контрольно-измерительных приборов (КИП), затраты на проектно-изыскательские работы, строительно-монтажные и пусконаладочные работы, непредвиденные расходы.
