Энерготехнологическое использование нетрадиционных и атомных энергоустановок Дубковский, Вячеслав Александрович

Введение к работе

Актуальность^работы. Основным принципом государственной политики Украины в области энергосбережения является "создание энергосберегающей структуры материального производства на основе комплексного решения вопросов экономии и энергосбережения с учетом экологических требований, широкого внедрения энергосберегающих технологий".

В настоящее время Украина по энергоэкономическим показателям отстает от развитых европейских стран. Если годовое производство электроэнергии на душу населения составляет ~ 5,2 МВт-ч (Франция - 5,8 МВт-ч, Великобритания - 5,7 МВт-ч), то доля расхода ее в промышленности - 60%, в то время как во Франции и Великобритании, соответственно, 40% и 35,5%. Исследования, выполненные украинскими специалистами и подтвержденные выводами экспертов различных международных организаций, показали, что энергозатраты на единицу валового продукта в Украине в 2-3 раза (а по некоторым экспертным оценкам и более) превосходят энергозатраты экономически развитых стран.

Одним из рациональных путей решения проблемы экономии топлива и снижения энергоемкости выпускаемой продукции является внедрение ядерных реакторов в неэнергетические технологии с вытеснением дорогостоящих органических топлив, а также разработка н: внедрение энергоустановок, использующих альтернативные источники энергии - и в первую очередь солнечную.

Предметом диссертации является разработка одного из направлений проблемы создания энерго- и ресурсосберегающих технологий и технических устройств для их реализации.

Исследование этого направления включает решение совокупности таких задач, как разработка и исследование новых типов многоцелевых комбинированных энергоустановок, использующих энергосберегающие технологии; разработка теоретических основ построения тепловых схем, циклов и процессов таких установок; развитие методов их анализа; определение наивыгоднейших параметров работы установок, выбор и обоснование технологических процессов, наилучшим образом сочетающихся с температурными потенциалами энергоисточников.

Из всех нетрадиционных возобновляемых источников энергии, наибольшее распространение получила солнечная энергия. Основными проблемами, затрудняющими широкое использование солнечных электро-

станций (СЭС) является суточная и сезонная неравномерность инсоляции и низкие начальные параметры паросиловых установок СЭС. Сделать СЭС конкурентоспособными с традиционными энергоустановками позволяют термохимические методы преобразования, аккумулирования и транспорта энергии. Термохимические солнечные электростанции (ТХСЭС) могут иметь значительно более высокий КПД за счет увеличения средне-термодинамической температуры подвода теплоты к реагирующим агентам, более эффективному термохимическому принципу аккумулирования и транспорта энергии, а также благодаря возможности использования солнечной энергии в технологических процессах (например, конверсии природного газа).

Ввиду использования для целей промышленной технологии теплоты относительно высокого потенциала - 800-1000 С, наиболее целесообразным типом энерготехнологических установок являются атомные установки с высокотемпературными газоохлаждаемьши реакторами (ВТГР). Использование теплоты ВТГР оказывается наиболее предпочтительным в комбинированных установках с затратой высокопотенциальной теплоты для целей технологии и тепла среднего потенциала (300-750 С) - в паросиловой части для выработки электроэнергии.

Исследования по использованию теплоты атомных реакторов для технологических целей проводятся с начала 60-х годов в США и Германии. Организованное в Германии из восьми фирм, относящихся к реакторостроению, угольной промышленности и металлургии, общество "Тепло ядерных реакторов" (АНП) занимается разработкой ядерных энерготехнологических установок. Горное научно-исследовательское общество, входящее в АНП, разработало технологическую схему процесса гази-фикяции угля водяным паром с использованием тепла высокотемпературного ядерного реактора (Р.Шультен, Юнтген X., Петере В.). Коэффициенты преобразования энергии установки для газификации угля водяным паром находятся в пределах 48-54 % для температуры гелия на входе 900 С и 60-73 % при температуре 1100 С. При использовании ядерного реактора эквивалентная цена единицы тепла в два раза ниже аналогичной единицы цены тепла-при крекинге нефти и более, чем в три раза ниже в случае автотермической газификации угля.

В последние два-три десятилетия внимание научно-исследовательских, проектных и конструкторских организаций привлекают нетрадиционные энергоустановки с альтернативными источниками энергии, из которых самое пристальное внимание оказывается гелиоустановкам. В

США, Испании, Японии, Израиле, ряде других стран уже эксплуатируются солнечные электростанции (СЭС) небольшой О.ОІн-l МВт и умеренной 1-^10 МВт мощности, проектируются СЭС второго поколения электрической мощностью 100-300 МВт. В Израиле с 1982 г. работает электростанция электрической мощностью 150 кВт, использующая в качестве энергоисточника солнечный пруд..

Основными причинами, сдерживающими рост солнечной энергетики являются пизкая термодинамическая эффективность СЭС 10-12 %, высокий уровень капитальных затрат, на порядок превышающий капитальные затраты в обычные ТЭС, а также суточная и сезонная неравномерность производства энергии и жесткая зависимость от инсоляции и погодно-климатических условий.

Таким образом исследование многоцелевых энерготехнологических установок с атомным источником теплоты и термохимических солнечных электростанций и комбинированных солнечно-топливных установок имеет общие задачи - внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий, повышение эффективности производства энергетической и технологической продукции за счет снижения потребления топлива и сырья; выбор рациональных схем организации технологических процессов, оптимального соотношения производимых видов продукции и др.

Предлагаемый подход к решению проблемы базируется на теоретических основах теплотехники, химической термодинамики, специальных методах термодинамического анализа энергетических и технологических установок, а также на методах, используемых в металлургической и химической технологиях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке и исследовании новых классов многоцелевых комбинированных энергоустановок, использующих энерго-и ресурсосберегающие технологии; разработке основ построения тепловых схем, циклов и процессов таких установок, развитии методов их анализа и определения наивыгоднейших параметров; выборе технологических процессов, наилучшим образом сочетающихся с температурным потенциалом энергоисточника; обосновании проектирования и сооружения установок.

1. Сформулированы принципы построения рациональных тепловых схем, циіслов и процессов многоцелевых энерготехнологических установок с ядерным реактором, позволяющие конструировать тепловые схемы, про-

водить комбинирование энергоустановок, выбирать оптимальные циклы и процессы, проводить анализ влияния различных факторов на эффективность установок и получать комплексы оптимальных параметров.

2. Впервые предложены способы организации основных технологических процессов в атомных энерготехнологических установках: газификации углерода, конверсии метана, восстановления металлов из окислов. Осуществление процессов газификации углерода или конверсии метана совместно с процессами восстановления железа в кипящем слое приводит к их взаимной интенсификации. В результате этого сокращаются необходимые по условиям равновесия расходы углерода и метана, отпадает необходимость подачи водяного лара, уменьшаются общие теплозатраты. В разработанных регенеративных схемах совместных процессов уменьшается расход рециркулирующего газа, происходит снижение потерь тепла с отходящими газами.

При температурах свыше 800 С обоснована целесообразность осуществления совместных процессов без рециркуляции газов и их очистки, что позволяет существенно упростить технологическую часть установки для производства губчатого железа.

В установках, предназначенных для получения синтез-газа, водорода, дальнего транспорта тепла, впервые обосновано проведение процесса газификации твердого топлина при переменной температуре, что приводит к увеличению полезных компонент (Н₂ и СО) в газообразных продуктах газификации и дает возможность снизить уровень температур теплоносителя в газификаторе.

3. Предложен новый метод единой оценки термодинамической эффективности производства различных видов продукции многоцелевых энерготехнологических установок - электроэнергии, тепла, водорода как вторичного теплоносителя, губчатого железа в ядерных металлургических комплексах и других видов химического производства.

Введены понятия теплового и эксергетического эквивалентов производства неэнергетической продукции и на их основе рекомендуются системы относительных коэффициентов, характеризующих степени использования, соответственно, тепла и эксергии энергоисточника и технологического сырья в отдельных технологических процессах и установкой в целом.

Показано, что величина теплового эквивалента производства неэнергетического продукта определяется стандартными эффектами обратимых реакций образования продукта и сгорания используемого топлива.

Величина эксергетического эквивалента определяется эксергией теплового эквивалента или, что то же самое, - алгебраической суммой стандартных энергий Гиббса компонентов указанных реакций.

Показано, что потери эксергии в необратимых химических, реакциях определяются общим выражением Гюи-Стодолы.

4. Установлено, что термодинамическая эффективность технологических процессов оказывается значительно выше процессов производства электроэнергии. Вместе с тем, эффективность многоцелевых экерготехно-логических установок в целом существенно выше эффективности чисто энергетических установок.

5. Разработана новая методика термоэкономического исследования атомных эяерготехнологических установок многоцелевого назначения. При этом показателем технико-экономической эффективности выступает экономия годовых расчетных затрат. Предложено при определении термоэкономической эффективности одного отдельно взятого продукта, выпускаемого многоцелевой установкой, общую часть затрат распределять пропорционально эксергии теплоты ядерного реактора, затраченной на производство данного продукта. В этом случае может быть определена эффективность установки в целом и эффективность выпуска каждого вида продукции, а также их оптимального соотношения.

6. Численным экспериментом впервые получены комплексы оптимальных параметров для циклов и технологических процессов, определяющим образом влияющие на технико-экономическую эффективность сооружения и эксплуатации установок. При этом атомные энерготехнологические установки с ВТГР, использующие в качестве сырья твердое органическое топливо, уже на современном этапе могут успешно конкурировать с существующими производствами тех же видов продукции.

7. Предложен новый класс нетрадиционных энергетических установок: термохимических солнечных электростанций, в том числе комбинированных солнечно-топливных, и энерготехпологических солнечных установок. Доказано, что промышленное использование солнечной энергии может осуществляться на основе новых методов преобразования я аккумулирования энергии. Сформулированы принципы конструирования" тепловых схем таких установок, выбора циклов технологических процессов, основных энергетических и технологических параметров.

8. Разработан метод термоэкономического исследования, нетрадици
онных энергоустановок с возобновляемыми источниками энергии, в кото-

ром впервые совместно учтены основные принципиальные особенности исследуемого объекта: выработки разнородных видов продукции - энергетической :н неэнергетичеекой (технологической); необходимость определения затрат первичной энергии на сооружение установок; неравноценность производства пиковой, базовой и провальной электроэнергии. Предложены критерии, позволяющие на предпроектной стадии оценить энергетическую и термоэкономическую целесообразность нетрадиционных энергоустановок.

9. Обоснованы условия работы термохимических солнечных электростанций как в общей энергосистеме, так и в изолированных энергосистемах, либо в энергосистемах, испытывающих дефицит мощности. Впервые определена область значений основных энергетических параметров и параметров технологических процессов, обеспечивающих конкурентоспособность термохимических солнечных энергоустановок с традиционными энергоустановками на органическом топливе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов работы состоит в следующем. Показаны перспективные направления развития энергетики и энерготехнологии, которые помогут решить целый ряд топливно-энергетических, экологических, транспортных, региональных проблем, ускорят внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Предложенные принципы построения тепловых схем, циклов и процессов позволяют проводить конструирование и совершенствование широкого спектра многоцелевых энерготехнологических установок с различными источниками первичной энергии. Полученные параметры циклов и схем энерготехнологических установок могут явиться исходной информацией при проектировании и выборе технологического оборудования, анергоисточника, вида и характеристик технологического сырья.

Термодинамический метод исследования многоцелевых энергоустановок, выпускающих разнородную продукцию, позволяет проводить анализ различных многоцелевых установок. Практическое преимущество разработанного метода анализа в том, что в качестве исходной информации (справочного материала) используются известные и широко распространенные константы стандартных теплот образования веществ, стандартных энергий Гиббса и абсолютных энтропии веществ, что значительно упрощает инженерные расчеты.

Решена задача оптимизации основных параметров тепловых схем и технологических процессов многоцелевых АЭТУ. Разработанная обощен-

ная математическая модель АЭТУ позволяет проводить оптимизационные исследования различных тепловых схем с изменением их параметров и структуры.

Принципы организации технологических процессов и конструктивные проработки основных технологических аппаратов энерготехнологических установок ускорят проведение НИР и ОКР по разработке установок и повысят эффективность необходимых исследований.

Созданы новые схемы солнечных электростанций, позволяющих "отслеживать" суточный график электропотребления, обоснованы условия их комбинирования с ТЭС и АЭС, определены условия их совместной работы в энергосистеме.

Внедрение критериев по оценке возможности использования низко-потенциальных энергоресурсов и ВЭР в практику промышленных предприятий позволит избежать энергетически и технико-экономически нецелесообразных решений, повысит эффективность утилизации низкопотен-цильных энергоисточников.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с общесоюзной (в период СССР) программой ОЦ.00Ї в части исследования и оптимизации энергетических и энерготехнологических установок, а также по заданию 0.01.04 "Создать новые виды энергоблоков с ядерными реакторами для выработки электроэнергии и тепла", по республиканской комплексной научно-технической программе РН.Ц.001 "Совершенствование технической базы топливно-знергетігзеского комплекса и повышение эффективности использования энергоресурсов".

Результаты работы в виде энергосберегающего проекта солнечных энергоустановок вошли в Программу государственного развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, составную часть Нвцио-нальной энергетической программы Украины.

Основные разработки и результаты исследований внедрены в практику научно-исследовательских работ отдела высокотемпературной энергетики ИАЭ им.И.В.Курчатова по теме "Энерготехнологическое применение ВТГР" в части использования АЭТУ, математических моделей технологических и тецлообменных аппаратов и оптимальных параметров циклов энерготехнологических установок на базе ВТГР; в отделе термохимических процессов ИТТФ НАН Украины, где был иепользован термодинамический анализ энерготехнологических процессов с внешним источником теплоты; в ЭНИН им.Г.М.Кржижановского, по заданию которого

проведены исследования, обосновывающие использование термохимических методов в солнечных энергоустановках; в Институте энергетических исследований РАН (г.Мосхва), где были использованы приложения эксергетического метода в рамках научно-исследовательской программы "Эксергетический баланс СССР".

Опосредовано результаты исследований использованы при проектировании и сооружении солнечной установіси для горячего водоснабжения (и, частично, отопления) производительностью до 20 тонн в сутки предприятия "Облдор" в г.Затоке.

Результаты диссертации нашли реализацию в учебной и учебно-методической работе в курсах дисциплин "Ядерные энергетические установки", "Атомные электрические станции", "Материалы ядерных энергетических установок" Одесского политехнического университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Всесоюзных семинарах "Атомно-водородная энергетика и технология", ИАЭ им.И.В.Курчатова, 1985-89 г.г.; на Всесоюзном совещании по разработке новых методов энергетического анализа, Институт технической теплофизики НАН Украины, 1991 г.; Межвузовском научном семинаре "Повышение эффективности и оптимизация теплоэнергетических установок" в СПИ, г.Саратов, 1988 г.; на Ш и IV Всесоюзных школах-семинарах "Применение эксергетических методов анализа", ХПИ, г.Харьков, 1988 г., НКИ, г.Николаев, 1990 г.; на научно-технических семинарах: лаборатории газовой энергетики им.И.В.Курчатова, 1986 г., Отдела циклов и схем ИЯЭ АН БССР, г.Минск, 1993 г.; ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, г.Москва, 1991 г.; ИНЭИ АН СССР, г.Москва, 1990 г.; Всесоюзных совещаниях по проб леме "Эксергетический баланс СССР", 1989-1990 г.г.; а также на ряде региональных и вузовских конференций и совещаний, 1990-1997 г.г.

ЛИЧНЫМ ВКЛАДОМ АВТОРА В РАБОТУ является следующее:

1. Выбор научного направления, изучение проблематики, критический анализ современных методов анализа энергоустановок, постановка цели и задач диссертационной работы.

2. Разработка принципов построения рациональных тепловых схем, циклов и процессов многоцелевых энерготехнологических установок с высокотемпературным ядерным реактором.

3. Предложение и разработка способов организации основных технологических процессов в АЭТУ и технологических аппаратов для их протекания.

4. Создание термодинамического метода исследования многоцелевых энер-

готехнологических установок, выпускающих разнородную продукцию. Развитие термоэкономических методов для исследования атомных энерготехнологических установок и термохимических солнечных энергоустановок.

5. Определение области оптимальных параметров, циклов и технологиче-

ских процессов многоцелевых АЭТУ и обоснование их технико-экономической эффективности.

6. Разработка нового класса энергоустановок - термохимических солнечных электростанций, выбор тепловых схем и технологических процессов, обеспечивающих их конкурентоспособность с традиционными энергоустановками.

7. Практические рекомендации, перспективы дальнейших исследований и

выводы по работе.

Личный творческий вклад автора подтверждается 20 опубликованными по теме диссертации научными трудами, из них 6 единолично, в том числе- одной монографией и 8 авторскими свидетельствами на изобретения.

1.Основы построения рациональных схем, циклов и процессов многоцелевых энерготехЕологических установок. Схемы организации основных технологических процессов: совместные процессы газификации твердого топлива (конверсии природного газа) и восстановления губчатого железа из руды; проведение процесса газификации твердого топлива при переменной температуре процесса.

2. Развитие эксергетического метода анализа применительно к химическим процессам, критерии термодинамической эффективности атомных энерготехнологических установок: тепловой и эксергетический эквиваленты, относительные коэффициенты, коэффициенты преобразования энергии.

3. Метод единой оценки термодинамической эффективности производства различных видов продукции в многоцелевых энерготехнологических установках: электроэнергии, теплоты, водорода, как вторичного

теплоносителя, губчатого железа и других видов металлургического и химического производства.

4. Анализ влияния различных факторов на термодинамическую эффективность атомных энерготехнологических установок и определение термодинамически наивыгоднейших параметров в энергетической и технологической частях установок: температуры газификации твердого топлива, температур входа и выхода теплоносителя в газификатор; количества отборного пара на газификацию; температуры доконверсии окиси углерода; температуры и давления совместных процессов газификации и восстановления; количества рециркулирующих газов.

5. Методику комплексной термоэкономической оптимизации многоцелевых атомных энерготехнологических установок, использующих в качестве технологического сырья твердое органическое топливо.

6. Комплексы оптимальных параметров для тепловых схем и технологических процессов, определяющим образом влияющих на технико-экономическую эффективность сооружения и эксплуатации атомных энерготехнологических установок.

7. Новый класс нетрадиционных энерготехнологических установок -термохимических солнечных электростанций (ТХСЭС) и энерготехнологических солнечных установок.

8. Основы построения тепловых схем, выбор рациональных процес
сов, циклов и параметров термохимических солнечных энергоустановок, в
том числе комбинированных с ТЭС или АЭС, и солнечных энергоуста
новок, использующих в качестве системы сбора и преобразования энергии
солнечный пруд.

9. Критерии термодинамической и термоэкономической оценки
эффективности нетрадиционных энергоустановок.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит введение, 7 глав и выводы по работе, изложена на 270 страницах, исключая 75 рисунков, 23 таблицы и список литературы (208 источников).