Содержание к диссертации
Введение
1.Обзор литературных источников. Задачи исследования 8
1.1. Классификация котельных. Типовое оборудование отопительных и промышленных котельных 8
1.2. Принцип работы ДГА. Цель и возможности применения ДГА в котельных различных типов 18
1.3. Возможные источники подогрева газа вдетандер- генераторном агрегате 23
1.4. Существующие критерии оценки эффективности работы котельных, их анализ 27
1.5. Постановка задачи исследования 28
2. Влияние ДГА на эффективность работы котельных 30
2.1. Выбор критерия оценки эффективности применения ДГА в котельных 30
2.2. Математические модели систем, включающих котельную и ДГА. Влияние ДГА на эффективность работы котельной 31
2.2.1. При подогреве газа уходящими газами котлов 31
2.2.2. При подогреве газа сетевой водой 37
2.2.3. При подогреве газа дымовыми газами ГТУ 40
2.2.4. При подогреве газа с помощью теплового насоса 46
2.3. Анализ изменения КПД нетто и мощности установки в зависимости от способа подогрева газа перед детандером 50
Выводы к главе 2 52
3. Эксергетическии анализ схем с ДГА в котельной 54
3.1. Эксергетический КПД установки без ДГА 54
3.2. Влияние ДГА на эксергетический КПД установки 56
3.2.1. В случае подогрева газа уходящими газами котлов 56
3.2.2. В случае подогрева газа сетевой водой 60
3.2.3. В случае подогрева газа уходящими газами ГТУ 62
3.2.4. В случае подогрева газа с помощью ТНУ 67
3.3. Анализ изменения эксергетического КПД в зависимости от способа подогрева газа перед детандером 71
Выводы к главе 3 73
4. Влияние ДГА на энергоэффективность котельных при переменных режимах работы 74
4.1. Исходные данные 74
4.2. Влияние ДГА на эффективность работы котельной при переменных режимах 75
4.2.1. При подогреве газа уходящими газами котлов 75
4.2.2. При подогреве газа сетевой водой 81
4.2.3. При подогреве газа уходящими газами ГТУ 87
4.2.4. При подогреве газа ТНУ 91
4.3. Анализ изменения КПД котельной нетто при работе на переменных режимах и различных способах подогрева газа 98
Выводы к главе 4 99
5. Оценка экономической эффективности применения детандер- генераторных агрегатов в котельных 101
Выводы к главе 5 109
Основные выводы 110
Список использованных источников литературы 112
Приложения 120
- Принцип работы ДГА. Цель и возможности применения ДГА в котельных различных типов
- Анализ изменения КПД нетто и мощности установки в зависимости от способа подогрева газа перед детандером
- Анализ изменения эксергетического КПД в зависимости от способа подогрева газа перед детандером
- При подогреве газа уходящими газами котлов
Введение к работе
В настоящее время все больше внимания уделяется разработке мероприятий по повышению энергоэффективности производства. В 1996 г. был принят Федеральный Закон Российской Федерации «Об энергосбережении». Одним их эффективных способов энергосбережения является использование перепада давления дросселируемого на ГРС и ГРП газа для выработки электроэнергии с помощью детандер-генераторного агрегата.
Использование детандер-генераторных агрегатов возможно, в частности, на ГРП промышленных и отопительных котельных, которые являются достаточно крупными потребителями газа. Например, в г. Москве основную отопительную нагрузку несут муниципальные котельные - районные и квартальные тепловые станции (РТС и КТС), на которых используется около 3300000 тыс.м3 газа в год. Если принять, что газ на ГРП поступает с давлени-ем 4 кг/см и дросселируется там до 1.5 кг/см , то при использовании ДГА вместо дросселирования можно получить 86.3 млн.кВт ч электроэнергии (при подогреве газа перед турбодетандером до 70°С и КПД турбодетандера, равном 0.8). Выработанная в детандерах электроэнергия может покрыть значительную часть электрических собственных нужд котельной.
Детандер - генераторный агрегат представляет собой устройство, в котором природный газ используется в качестве рабочего тела (без сжигания газа). Энергия газа преобразуется в детандере в механическую. При этом давление и температура газа снижаются. Механическая энергия, полученная в детандере, может быть преобразована в электрическую в соединенном с детандером электрическом генераторе.
Высокая энергетическая эффективность детандер-генераторных агрегатов определяется, в первую очередь, тем, что детандер не является тепловой машиной, для обеспечения работы которой необходимо часть подведенной теплоты отдавать холодному источнику. В ДГА почти вся подведенная к нему теплота (за исключением механических потерь) может быть преобразована в электрическую энергию. При работе ДГА газ перед детандером должен быть подогрет до такой температуры, чтобы на выходе из детандера его температура газа была не ниже точки росы (-Ю...-15°С). Это связано с обеспечением нормальных условий работы как самого детандера, так и газовых трубопроводов.
Одним из факторов, влияющих на эффективность ДГА, является выбор источника тепла для подогрева газа перед детандером и способ подогрева. Для подогрева газа могут быть использованы различные потоки теплоты, так, например, в отопительной котельной подогрев газа перед детандером может осуществляться уходящими газами котлов, прямой сетевой водой, дымовыми газами установленной в котельной ГТУ и с помощью теплонасосной установки.
Эффективное использование ДГА в котельных требует проведения исследований как при решении технических, так и технико-экономических вопросов.
При оценке эффективности применения детандер-генераторных агрегатов необходимо исходить из того, что они используются в уже существующей системе газоснабжения и проанализировать все изменения, происходящие с потоком газа по сравнению с исходным, уже существующим вариантом газоснабжения. При этом необходимо также учитывать, какое влияние оказывает использование ДГА на работу газопотребляющего оборудования. Это вызвано тем, что полная энергия, которую поток газа отдает в топке котла или печи, определяется не только теплотой его сгорания, но и физической теплотой топлива [59]. Следовательно, если газ после ДГА сразу направляется на сжигание, то эффективность использования ДГА для получения электроэнергии следует определять на основе системного подхода, т.е. с учетом того, как он повлияет на технико-экономические показатели, в частности, на расход топлива всей установки в целом по сравнению с тем, когда снижение давления газа происходило за счет дросселирования потока [29].
Принцип работы ДГА. Цель и возможности применения ДГА в котельных различных типов
Идея использования потенциальной энергии давления природного газа для выработки электроэнергии была предложена в пятидесятых годах академиком М.Д. Миллионщиковым. На данный момент эта идея реализована на некоторых объектах топливно-энергетической промышленности, таких как газораспределительные станции (ГРС), газотурбинные компрессорные станции магистральных газопроводов, тепловые электрические станции, газоре-гуляторные пункты (ГРП) различных энергетических объектов.
Детандер - генераторный агрегат представляет собой устройство, в котором природный газ используется в качестве рабочего тела (без сжигания газа). Энергия газа преобразуется в детандере в механическую работу [52, 53]. При этом давление и температура газа снижаются. Механическая энергия, полученная в детандере, может быть преобразована в электрическую в соединенном с детандером электрическом генераторе [35, 39, 48].
Важнейшим элементом ДГА является газорасширительное устройство -детандер. В настоящее время в мире известно более двухсот установок с использованием газорасширительных машин [44, 47, 48, 68-70, 71-73, 74-82, 84,87, 88, 93, 95]. Отметим, что детандеры широко используются в криогенной технике [30-32, 34], но для производства холода, а не для выработки электроэнергии. По принципу действия детандеры делятся на устройства объемного и кинетического действия [53]. Машинами объемного действия являются поршневые детандеры, в которых внутренняя энергия потока рабочего тела преобразуется в работу при одновременном понижении температуры рабочего тела. При этом происходит также изменение давления рабочего тела, что вызывается взаимодействием рабочего тела и поршня.
Расширительные машины кинетического действия называются турбоде-тандерами. Принцип работы турбодетандера состоит в том, что газовый поток последовательно проходит по механическим каналам направляющего аппарата, в котором происходит расширение газа и увеличение скорости потока, далее газовый поток поступает на лопатки рабочего колеса детандера , где отдает свою кинетическую энергию, которая через вал передается потребителю.
Турбодетандеры по направлению потока подразделяются на осевые и радиальные [30-32]. Радиальные, в свою очередь, подразделяются на центростремительные и центробежные. В центростремительных турбодетандерах поток газа движется от периферии к центру, в центробежных от центра к периферии. При сопоставимых условиях в ступени радиального центростремительного турбодетандера может быть получена большая работа расширения, чем в осевой ступени. В центробежной ступени работа расширения меньше, чем в центростремительной.
По числу ступеней расширения турбодетандеры разделяются на одно и многоступенчатые.
Сравнение поршневых детандеров и турбодетандеров выявило следующие их преимущества и недостатки. Преимуществом поршневых детандеров является широкий диапазон начальных температур при малых объемных расходах рабочего тела и относительно высоких начальных давлениях, простота эксплуатации, хорошее регулирование в области малых расходов, при прочих равных условиях относительно высокий КПД (0,7 ... 0,85 в зависимости от рабочего тела).
Недостатками является меньшая надежность и ресурс, а также большая масса и габариты по сравнению с турбодетандерами. Турбодетандеры, в случае малых объемных расходов и большой плотности рабочего тела на входе в машину, при малых размерах проточной части имеют сравнительно низкие КПД [52]. Так, при диаметре рабочего колеса 30 - 100 мм он составляет 0,6 ...0,7, а при диаметре колеса 10 - 30 мм - 0,3 ... 0,4.
Более высокие КПД позволяют поршневым машинам даже в установках с высоким (16 ... 20 МПа) и средним (1,5 ... 7 МПа) давлением рабочего тела иметь преимущество перед турбодетандерами, особенно в области малых расходов газа. Кроме того, большая частота вращения ротора турбодетандера заметно ограничивает ресурс его работы.
Вследствие вышесказанного, машины объемного действия применяются в области сравнительно малых расходов рабочего тела, а также в области средних и высоких отношений давления газа на входе в агрегат и на выходе из него. Турбодетандеры используются при существенно больших расходах газа и меньших давлениях.
Поршневые детандеры применяются, в основном, в холодильных установках, но могут применяться и для выработки электроэнергии [83-85,87-95]. Турбодетандеры также, как и поршневые, используются для выработки холода [31-35, 37-40, 46,48, 57, 58, 66, 67].
Как известно, при применении детандер- генераторного агрегата для использования давления газа с выработкой электроэнергии газовый поток необходимо подогревать [47, 48, 68, 72, 73, 80-82, 86], т.к. в результате расширения газа в детандере и соответствующего понижения его температуры возможно образование конденсатов и гидратов в газопроводах и арматуре, импульсных трубках и, как следствие, их засорение или даже закупорка. В связи с этим газ перед детандер- генераторным агрегатом должен быть нагрет так, чтобы на выходе из него температура газа была не менее 0 С.
Анализ изменения КПД нетто и мощности установки в зависимости от способа подогрева газа перед детандером
Турбодетандеры, в случае малых объемных расходов и большой плотности рабочего тела на входе в машину, при малых размерах проточной части имеют сравнительно низкие КПД [52]. Так, при диаметре рабочего колеса 30 - 100 мм он составляет 0,6 ...0,7, а при диаметре колеса 10 - 30 мм - 0,3 ... 0,4.
Более высокие КПД позволяют поршневым машинам даже в установках с высоким (16 ... 20 МПа) и средним (1,5 ... 7 МПа) давлением рабочего тела иметь преимущество перед турбодетандерами, особенно в области малых расходов газа. Кроме того, большая частота вращения ротора турбодетандера заметно ограничивает ресурс его работы.
Вследствие вышесказанного, машины объемного действия применяются в области сравнительно малых расходов рабочего тела, а также в области средних и высоких отношений давления газа на входе в агрегат и на выходе из него. Турбодетандеры используются при существенно больших расходах газа и меньших давлениях.
Поршневые детандеры применяются, в основном, в холодильных установках, но могут применяться и для выработки электроэнергии [83-85,87-95]. Турбодетандеры также, как и поршневые, используются для выработки холода [31-35, 37-40, 46,48, 57, 58, 66, 67]. Как известно, при применении детандер- генераторного агрегата для использования давления газа с выработкой электроэнергии газовый поток необходимо подогревать [47, 48, 68, 72, 73, 80-82, 86], т.к. в результате расширения газа в детандере и соответствующего понижения его температуры возможно образование конденсатов и гидратов в газопроводах и арматуре, импульсных трубках и, как следствие, их засорение или даже закупорка. В связи с этим газ перед детандер- генераторным агрегатом должен быть нагрет так, чтобы на выходе из него температура газа была не менее 0 С. Температура, до которой необходимо подогреть газ, зависит от перепада давлений и может достигать 100 С [19]. Существуют различные схемы подогрева газа: перед детандером, после детандера, перед детандером и после него, промежуточный подогрев между ступенями [18]. Подробнее эти схемы будут рассмотрены в других разделах данной работы. Для получения электроэнергии при эксплуатации расширительных машин наиболее экономичным является способ торможения асинхронным генератором. Производимая при этом электроэнергия может либо направляться в сеть, либо использоваться на собственные нужды. Мощность, вырабатываемая детандер- генераторным агрегатом, зависит от следующих параметров: давление газа на входе в детандер, давление на выходе из него, температура на входе в детандер, расход газа. Результаты расчетов при различных перепадах давлений, расходе газа Gr = 1000 нм / час, температуре перед детандером t і = 100 С и конечном давлении 0,2 МПа приведены в табл. 1.1. В [19] рассмотрена возможность применения детандер- генераторного агрегата для районной теплоснабжающей станции с тремя котлами КВГМ - 100. Показано, что при максимальной нагрузке котлов (Вг = 3700 нм / ч), подогреве газа до 100 С, давлении газа на входе в детандер 0,4 МПа и 0,2 МПа на выходе может быть получена мощность 888 кВт. Выработанная мощность может покрыть собственную потребность в электроэнергии двух водогрейных котлов из трех.
В [29] описан опыт эксплуатации детандер- генераторных агрегатов на ТЭЦ- 21 ОАО «Мосэнерго». Подогрев газа перед турбодетандерами осуществлялся прямой сетевой водой из общестанционного коллектора. Греющая вода после газо-водяного теплообменника направлялась в коллектор обратной сетевой воды. Показано, что включение ДГА в тепловую схему ТЭЦ положительно сказалось на технико- экономических показателях работы электростанции в целом: снижение удельного расхода условного топлива на выработку электроэнергии за счет использования ДГА составило в 2002 г. около 1,25 г/кВт ч. В статье также говорится, что эффективность применения детандер- генераторных агрегатов на ТЭЦ определяется технико- экономическими показателями, режимами работы основного оборудования и выбранной схемой подогрева газа перед детандером. В связи с отличием режимов работы, технико-экономических показателей основного оборудования ТЭЦ и котельных, мы можем сказать, что существуют различия в оценке использования ДГА на ТЭЦ и в котельных. При определении эффективности детандер-генераторов как на ТЭЦ, так и в котельных, необходимо использовать «системный подход» [29], согласно которому влияние использования ДГА на технико-экономические показатели работы следует определять для всей электростанции или котельной в целом.
Высокая энергетическая эффективность детандер-генераторных агрегатов определяется, в первую очередь, тем, что детандер не является тепловой машиной, для обеспечения работы которой необходимо часть подведенной теплоты отдавать холодному источнику. В ДГА почти вся подведенная к нему теплота (за исключением механических потерь) может быть преобразована в электрическую энергию.
Анализ изменения эксергетического КПД в зависимости от способа подогрева газа перед детандером
В последнее время в нашей стране научные и инженерно-технические работники стали уделять определенное внимание теории и практике использования детандер- генераторных агрегатов [11, 12, 22, 27, 28,41,42,45, 54-56. 60-62, 64, 65, 67]. Много литературных источников посвящено различным аспектам вопроса использования ДГА на ТЭС, ТЭЦ [1 - 4, 5 - 10, 13, 14, 16, 17, 26, 28, 41, 43, 55] и в газовой промышленности [15, 60, 63, 67], тогда как вопрос применения детандер-генераторов в котельных до сих пор освещался в меньшей степени.
В существующих котельных значения удельного расхода электрической мощности на собственные нужды в зависимости от производительности составляет от 15 до 40 кВт/МВт. В данное время потребность в электрической энергии удовлетворяется за счет ее покупки. Использование ДГА в котельных, работающих на газообразном топливе, позволит покрыть значительную часть собственных нужд, тем самым снизить материальные затраты предприятия. На данный момент не существует опыта эксплуатации детандер- генераторов в котельных. Для возможности их использования необходимо разработать критерии оценки эффективности работы, рассмотреть возможные схемы включения ДГА в котельные различных типов, проанализировать возможные условия работы и различные схемы подогрева газа.
Исходя из сказанного, сформулируем цель и задачи данной работы. Целью диссертационной работы является исследование энергетических систем для генерации и трансформации энергоносителей, основанных на принципах их комбинированного производства, включающих в себя котельную и детандер- генераторный агрегат. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать критерии оценки эффективности применения ДГА в котельных различных типов. 2. Разработать математические модели систем, включающих в себя котельную и ДГА, при подогреве газа уходящими газами котлов, прямой сетевой водой, дымовыми газами установленной в котельной ГТУ и с помощью теплонасосной установки. 3. Разработать алгоритмы расчета параметров энергоэффективности совместной работы котельных и ДГА. 4. Проанализировать зависимости показателей энергоэффективности от тех или иных параметров как при номинальной, так и при переменных нагрузках. 5. Оценить влияние стоимостных показателей на эффективность применения ДГА в котельных. При оценке эффективности применения детандер- генераторных агрегатов необходимо исходить из того, что они используются в уже существующей системе газоснабжения и проанализировать все изменения, происходящие с потоком газа по сравнению с исходным, уже существующим вариантом газоснабжения. При этом необходимо также учитывать, какое влияние оказывает использование ДГА на работу газопотребляющего оборудования. Это вызвано тем, что полная энергия, которую поток газа отдает в топке котла или печи, определяется не только теплотой его сгорания, но и физической теплотой топлива [59]. Следовательно, если газ после ДГА сразу направляется на сжигание, то эффективность использования ДГА для получения электроэнергии следует определять на основе системного подхода, т.е. с учетом того, как он повлияет на технико-экономические показатели, в частности на расход топлива всей установки в целом по сравнению с тем, когда снижение давления газа происходило за счет дросселирования потока [29].
При анализе показателей работы котельной в качестве критерия будем рассматривать КПД нетто котельной гкОТ
Это связано с тем, что один из основных показателей работы котельных - КПД котельной брутто rjj.p0T, определяемый, как отношение теплоты, полученной сетевой водой, к теплоте, отданной топливом, достаточно полно характеризует котельную с "тепловой стороны", с точки зрения использования теплоты топлива, но не учитывает расход электроэнергии на собственные нужды, что является необходимым условием в случае включения ДГА в схему котельной, т.к. вырабатываемая электроэнергия может покрыть существенную часть этих нужд.
При решении задачи примем условие равенства тепловых нагрузок QK котельной установки до и после включения ДГА. Для учета расхода электроэнергии в [50] предлагается использовать КПД нетто котла в виде соотношения (1.2)
Недостаток этой формулы очевиден - показатель данной установки Ьуд зависит от качества работы других электрогенерирующих установок, не относящихся к котельной.
При подогреве газа уходящими газами котлов
Как известно, график нагрузки котельных имеет переменный характер в течение года в зависимости от технологических процессов производства, нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. В связи с этим, для составления более полной картины влияния ДГА на энергоэффективность котельных необходимо проанализировать возможные варианты совместной работы оборудования на режимах, отличающихся от номинального. Рассмотрим методы расчета показателей энергоэффективности для различных случаев подогрева газа перед ДГА. В качестве примера рассмотрим работу котельной в случае работы одного котла КВГМ-100-150, параметры работы которой представлены в табл.4.1. Параметры газа на входе в котельную: - давление газа на входе в котельную 0,4 МПа: - температура газа на входе в котельную 5С; - давление после ДГА 0,15 МПа. Расход тепла на собственные нужды котельной составляет 2,39 % от производительности котла. В номинальном режиме работы в случаях подогрева газа уходящими газами котлов, прямой сетевой водой и уходящими газами ГТУ примем температуру подогрева газа 150С, при подогреве с помощью ТНУ 80С. Изменение параметров работы котельной зависит от изменения параметров самого ДГА. В детандер- генераторных технологиях возможно применение детандеров с устройствами для повышения КПД в случае снижения расхода газа через установку, поэтому рассмотрим случаи работы с переменным КПД детандера и постоянным на всех режимах работы котла. Зависимость КПД ДГА, согласно [49], от вырабатываемой им электрической мощности представлена на рис.4.1. В случае, когда не используется устройств для повышения КПД детандера, для расчета параметров работы котельной воспользуемся нижеприведенной методикой. Исходные данные для расчета (данные на расчетном режиме работы): 1) расход газа котельной; 2) коэффициент полезного действия котельной брутто; 3) потребляемая мощность установленных токоприемников котельной; 4) зависимость КПД ДГА от вырабатываемой мощности; 5) допустимые погрешности расчета мощности ДГА и расхода газа. Расчет производим в следующей последовательности: 1) зададимся расходом газа через ДГА и определим давление газа перед ДГА по формуле Флюгеля: 3) зададимся значением вырабатываемой ДГА мощности и определим КПД ДГА; 4) определим температуру и энтальпию газа после ДГА по формуле (2.15); 5) определим мощность, вырабатываемую ДГА (2.19); в случае если погрешность больше допустимой, то возвращаемся к п.З; 6) определим расход газа по формуле (2.16) в случае если погрешность больше допустимой, то возвращаемся к п.1; 7) определим КПД нетто котельной по формуле В данном случае, минимальный режим котла, на котором возможно применение установки, составляет 60 % от номинальной теплопроизводительности. Это объясняется снижением ее внутреннего относительного КПД в следствие низкого расхода газа. При понижении нагрузки ДГА минимальная температура подогрева газа увеличивается. Расчеты показывают невозможность использования ДГА при низкой теплопроизводительности котла без устройств повышения КПД детандера. По полученным данным построим графики изменения параметров работы котельной. На рис.4.2. показаны зависимости расхода газа от температуры подогрева газа перед детандером при различных нагрузках котла. Видно, что расход газа в случае увеличения температуры подогрева газа снижается на 0,00019-0,001 кг/с на каждые 10С в зависимости от режима работы и температуры подогрева газа, что составляет 0,01-0,04 % от расчетного расхода газа на данном режиме работы котла. Из рис.4.3 можно сделать вывод о том, что чем выше нагрузка котла, тем больше изменение расхода газа. На рис.4.4 изображена зависимость КПД котельной от температуры подогрева газа перед детандером при различных нагрузках котла. КПД котельной увеличивается, при увеличении температуры газа перед детандером.
