Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ современных когенерационных технологий и энергоустановок малой и средней мощности 11
1.1. Технические, экологические и другие преимущества совместного производства тепла и электроэнергии 11
1.2. Анализ технико-экологических характеристик когенерационных энергоустановок 17
1.3. Постановка задач исследований 34
ГЛАВА II. Разработка критериально-параметрической базы и программного комплекса для оптимизации выбора оборудования когенерационных энергоустановок 35
2.1. Формирование критериально-параметрической базы для оптимизации выбора когенерационных энергоустановок 35
2.2. Разработка программного комплекса «ОПТИМКЭУ» 44
2.3. Анализ результатов расчётно-аналитических исследований чувствительности критериальной системы к изменению различных характеристик КЭУ 47
2.4. Оптимизация создаваемых и оценка инвестиционной привлекательности существующих КЭУ на основе программного комплекса «ОПТИМ КЭУ» 49
Выводы по второй главе 53
ГЛАВА III. Расчетное моделирование и оптимизационное исследование когенерационных установок с газопоршневыми и газотурбинными двигателями .54
3.1. Оптимизация количества и единичной мощности газопоршневых коге-нераторов при переводе водогрейной котельной в мини-ТЭЦ 49
3.2. Оптимизация количества и единичной мощности газовых турбин при переводе водогрейной котельной в мини-ТЭЦ 63
3.3. Расчетное моделирование и оценка эффективности гибридной мини-ТЭЦ с дожиганием анодных газов топливного элемента перед газовой турбиной 76
Выводы по третьей главе 84
ГЛАВА IV. Оптимизация интеграции бинарных блоков в технологические схемы когенерационных установок 89
4.1. Технологические схемы совместной работы когенерационных и бинарных энергоблоков 89
4.2. Анализ эксплуатационных свойств и принципы выбора рабочих тел бинарных энергоблоков, работающих совместно с когенерационными установками 99
4.3. Оптимизационные расчётные исследования рабочих параметров тепловых схем совместной работы когенерационных и бинарных энергоблоков 108
4.4. Исследование применения контура с низкокипящим рабочим телом в составе газотурбинных мини-ТЭЦ 118
Выводы по четвертой главе 120
ГЛАВА V. Разработка технических решений использования когенерационных установок в практических задачах создания систем энергообеспечения малой мощности 121
5.1. Разработка принципиальных технических решений по реконструкции (замене) котельных с использованием когенерационных установок (на примере Краснодарского края) 121
5.2. Использование когенерационных энергоустановок в проектах реконструкции муниципальных систем теплоснабжения (г. Тимашевск, г.Анапа) 133
5.3. Сравнительный анализ технико-экономических показателей ТЭЦ 60 МВт микрорайона Данилово округа Домодедово г. Москвы на основе использования ГТА-16П и ГПМ Rolls-Royce B35:40V16AG 140
Выводы по пятой главе 163
Выводы по диссертации 164
Список использованной литературы 166
Приложения 174
- Анализ технико-экологических характеристик когенерационных энергоустановок
- Оптимизация создаваемых и оценка инвестиционной привлекательности существующих КЭУ на основе программного комплекса «ОПТИМ КЭУ»
- Оптимизация количества и единичной мощности газовых турбин при переводе водогрейной котельной в мини-ТЭЦ
- Анализ эксплуатационных свойств и принципы выбора рабочих тел бинарных энергоблоков, работающих совместно с когенерационными установками
Введение к работе
Рост цен на органическое топливо, повышение экологических требований и стремление к децентрализованному энергоснабжению стимулируют развитие когенерационных технологий в России и за рубежом. Долгосрочное развитие энергетического комплекса неразрывно связано с широкомасштабным использованием когенерационных энерготехнологий.
В последние годы в России наметилась тенденция роста количества компаний, выбравших когенерационные энерготехнологии в качестве предмета своей деятельности. При этом анализ отечественного опыта реализации проектов по внедрению когенерационных энергосистем свидетельствуют о наличии ряда принципиальных барьеров и рисков, включая технико-экономические проблемы оптимизации технологических схем и выбора оборудования когенерационных энергоустановок (КЭУ) и энергокомплексов.
Задача выбора первичного двигателя и оптимизация технологической схемы когенерационных энергокомплексов осложняется тем, что сегодня выпускается большой спектр различных типов двигателей: газотурбинные, газопоршневые, паротурбинные, дизельные и другие, которые существенно отличаются по единичной мощности, эффективности, ремонтопригодности, экологичности и другим характеристикам.
Отсутствие методологии выбора оптимальных технологических схем, первичного двигателя и ряда других технических решений, необходимость которых возникает при создании когенерационных комплексов, значительно сдерживает их развитие.
Наиболее перспективными направлениями внедрения современных когенерационных энергоустановок являются сооружение на их основе систем автономного теплоэлектроснабжения новых предприятий и реконструкция устаревших котельных путем перевода их в мини-ТЭЦ.
Формирование концепции и определение технических решений при практической реализации проектов по реконструкции устаревших котель-
ных имеет принципиальные отличия от случаев создания новых автономных когенерационных установок и энергосистем. Прежде всего, это связано с вопросами оптимизации совместной работы оставшегося котельного оборудования и надстройки в виде КЭУ.
Актуальными задачами НИОКР являются повышение эффективности и надежности когенерационных энергоустановок и комплексов.
Целью работы является разработка научно-технических и технологических основ эффективного применения когенерационных энергоустановок и технологических комплексов при создании новых систем тепло-электроснабжения и реконструкции устаревших котельных путем перевода их в мини-ТЭЦ.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Анализ влияния технических параметров и технологических свойств КЭУ на область и эффективность их применения.
Разработка критериально-параметрической базы и создание программного комплекса по оптимизации выбора оборудования когенерационных энергоустановок при сооружении автономных энергосистем с учетом приоритетов в технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности.
Создание программных средств, расчетное моделирование и оптимизационные исследования технологических схем когенерационных энергокомплексов с газопоршневыми и газотурбинными двигателями.
Разработка принципов выбора рабочих тел, создание математической модели и выполнение оптимизационных исследований включения в технологические схемы когенерационных энергокомплексов бинарных энергоблоков.
Разработка технических решений и оценка эффективности использования когенерационных установок на практических примерах рекон-
струкции устаревших котельных в мини-ТЭЦ и создании новых автономных систем тепло- и электроснабжения. Научная новизна
Проведен комплексный анализ технических параметров и технологических свойств первичных двигателей, влияющих на область и эффективность применения КЭУ, на основе которого разработана критериально-параметрическая база данных современного оборудования КЭУ.
Разработана методология и создан программный комплекс оптимизации выбора оборудования КЭУ при сооружении автономных энергосистем, учитывающий приоритеты в технической и экономической эффективности объекта.
Проведено расчетно-аналитическое обоснование и сравнение эффективных вариантов использования газопоршневых когенерационных установок и газовых турбин, а также применение топливных элементов в схеме газотурбиной установки при переводе водогрейной котельной в мини-ТЭЦ.
Выполнен комплексный анализ технологических свойств рабочих тел на основе, которого разработаны модели тепловых схем и построены TQ - диаграммы парогенератора бинарного блока.
Расчетно-аналитически обоснованы диапазоны оптимальных температур насыщения пара в конденсаторе и испарителе бинарного блока, работающего совместно с КЭУ.
Проведено расчетно-аналитическое обоснование повышение технико-экономических показателей при включении бинарного энергоблока с низкокипящим рабочим телом в состав газотурбинной мини-ТЭЦ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением широко используемых методик расчетов элементов тепловых схем ТЭЦ, апробированных математических методов моделирования и полученных результатов, сходимостью с подобными результатами работ других авторов, расчетов проектных организаций.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Создана критериально-параметрическая база данных и разработан программный комплекс для решения практических задач выбора оптимального оборудования КЭУ с учетом приоритетов в технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности.
Определены оптимальные варианты применения газопоршневых ко-генерационных установок и газотурбинной надстройки, в том числе с включением топливных элементов при переводе водогрейной котельной мощностью 40 Гкал/ч в мини-ТЭЦ.
Результаты проведенного комплексного анализа технологических свойств веществ использованы при выборе рабочего тела для строящегося на Паужетской ГеоЭС отечественного пилотного бинарного энергоблока, а также могут быть востребованы при применении бинарных блоков в схемах КЭУ.
Получены значения диапазонов оптимальных температур в испарителе и конденсаторе бинарных блоков, при использовании в качестве рабочего тела R134a и R600.
Определена зависимость чувствительности мощности (нетто) бинарного блока от температуры насыщения в конденсаторе.
Установлена эффективность применения бинарных блоков в схемах газотурбинных мини-ТЭЦ.
Результаты сравнительного анализа технико-экономических показателей ТЭЦ электрической мощностью 60 МВт с использованием когене-рационных установок ГТА- 16П и ГПМ Rolls - Royce В35: 40V16AG использованы при реализации проекта создания ТЭЦ в микрорайоне Данилово округа Домодедово г. Москвы.
Автор защищает:
1. Критериально-параметрическую базу данных КЭУ и методологию
оптимизации выбора оборудования КЭУ при создании автономных
энергокомплексов.
Результаты расчётно-аналитических исследований применения газопоршневых, газотурбинных двигателей и топливных элементов при переводе водогрейной котельной мощностью 40 Гкал/ч в мини-ТЭЦ.
Результаты проведенного анализа возможности применения рабочих тел для бинарных энергоблоков.
Полученные в ходе расчётных исследований значения диапазонов оптимальных температур в испарителе и конденсаторе бинарных блоков, при использовании в качестве рабочего тела R134a и R600.
Результаты расчётно-аналитических исследований тепловых схем работы бинарных блоков в составе КЭУ, позволяющие обосновать повышение технико-экономических показателей при включении бинарного энергоблока с низкокипящим рабочим телом в состав газотурбинной мини-ТЭЦ.
Результаты работы докладывались на Международная науч.-практ. конф. «Энергетика-2008: Инновации, решения, перспективы» (г. Казань,
год); VI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва,
г.); Международной науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 2009 г).
По теме диссертации опубликовано 13 работ в научных изданиях, в том числе три публикации в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. каф. ТЭУ МГОУ Томарову Григорию Валентиновичу за внимательное руководство и помощь при написании работы, а также к.т.н., доц. каф. ДПМ МЭИ (ТУ) Шипкову Андрею Анатольевичу за постоянные консультации при выполнении работы, к.т.н., доц., зав. каф. ПГТ ИГЭУ Рабенко Владимиру Степановичу за оказанную поддержку и содействие при проведении исследований, к.т.н. Никольскому Александру Иосифовичу за советы и замечания, высказанные при обсуждении диссертации.
Анализ технико-экологических характеристик когенерационных энергоустановок
Технология когенерации прекрасно сочетает положительные характеристики, которые недавно считались практически несовместимыми. Наиболее важными чертами следует признать высокую эффективность использования топлива, более чем удовлетворительные экологические параметры, а также автономность систем когенерации.
Технология когенерации не просто комбинированное производство электрической и тепловой энергии - это уникальная концепция, сочетающая преимущества когенерации, распределенной энергетики и оптимизации энергопотребления.
Следует заметить, что качественная реализация проекта требует наличия специфических знаний и опыта, иначе значительная часть преимуществ будет потеряна [5]. Выгоды от использования систем когенерации условно можно разделить на четыре группы: - экономика; - надежность; - утилизация тепла; - экология. Когенерация является хорошим механизмом экономического стимулирования: высокие затраты на энергию могут быть уменьшены в несколько раз. Система когенерации может вырабатывать энергию, себестоимость которой существенно меньше, чем ее же стоимость в регионе; уменьшение доли энергии в себестоимости продукции позволяет существенно увеличить конкурентоспособность продукта. Темпы роста тарифов на тепло и электричество превышают темпы роста цен на продукцию большинства отраслей хозяйства. Эта одна из основных причин увеличения удельного веса затрат на энергию в себестоимости продукции. Дорогое энергоснабжение — главный фактор замедления экономического роста. Когенерация является оптимальным вариантом обеспечения надежности снабжения теплом и электрической энергией. Рынок в своей оценке перспектив бизнеса обращает пристальное внимание на энергозависимость. Энергозависимая экономика требует все больше и больше энергии для работы и развития. При традиционном энергообеспечении возникает множество организационных, финансовых и технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку часто необходимы прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т.д. Когенерация предлагает крайне гибкие и быстрые в плане наращивания мощностей решения. Наращивание мощностей может осуществляться как малыми, так и достаточно большими долями. Этим поддерживается точная взаимосвязь между генерацией и потреблением энергии. Таким образом, обеспечиваются все энергетические нужды, которые всегда сопровождают экономический рост. Когенерация позволяет воздержаться от бесполезных и экономически неэффективных затрат на средства передачи энергии, к тому же исключаются потери при транспортировке энергии, так как энергогенерирующее оборудование может быть установлено в непосредственной близости от потребителя. Значительное снижение эмиссий вредных веществ приносит существенную пользу не только в экологическом, но также и экономическом контексте, что приведет к снижению или полному избавлению от штрафов, грантам, налоговым льготам и снятию многих экологических ограничений. Когенерация уменьшает затраты на топливо/энергию — КПД производства энергии из первичного топлива увеличивается в 2-3 раза, потребители сокращают затраты на топливо на 2/3 и получают возможность эффективного применения утилизируемого тепла (сушка, охлаждение, кондиционирование и т.д.). Когенерация оптимизирует потребление природного газа - снижаются затраты на приобретение газа, требования к газовой инфраструктуре и беспокойство касательно запасов газа. Когенерация снижает потребности в новых линиях электропередач — позволяет избежать строительства дорогостоящих и опасных высоковольтных линий над частной собственностью, экологического противоборства. Величины потерь нынешних сетей лежат в пределах от 5 до 20% суммарной мощности. Когенерация обеспечивает безопасность энергоснабжения. Современные требования к энергоснабжению формулируются просто — надежность и постоянство. При использовании систем когенерации потребитель застрахован от перебоев в централизованном энергоснабжении, время от времени возникающих либо вследствие крайнего износа основных фондов в электроэнергетике, либо природных катаклизмов или других непредвиденных причин. Расположение энергоцентра в непосредственной близости от потребителя подразумевает то, что энергоцентр находится в зоне безопасности конкретного предприятия, и энергоснабжение зависит только от потребителя. Когенерация повышает надежность энергоснабжения сооружений - это существенное преимущество в условиях меняющегося рынка энергии и высокотехнологичного общества. Высоконадежное электроснабжение критически важно для большинства компаний, работающих в информационной, производственной, исследовательской областях, сфере безопасности т.д.
Автономная энергетика обеспечивает основное электроснабжение, а сети используются в качестве резерва. Когенерация может гарантировать широко известные «6 девяток» надежности электроснабжения цифровым системам, также как обеспечить охлаждение высокотехнологичного оборудования. Компьютерные микросхемы, действующие в промышленных процессах, сетях связи, интернет-коммуникациях и финансовых сделках, могут, при потере питания, сохранять информацию только в течение 8 миллисекунд.
Когенерация обеспечивает выигрыш в энергетическом КПД. Это происходит за счет утилизации тепла выхлопных газов, в водяной рубашке охлаждения, в теплообменнике охлаждения масла и в промежуточном охладителе топливной смеси (данные действительны для большинства первичных двигателей). Около 67% энергии первичного топлива, при традиционном способе генерации электроэнергии выбрасывается в окружающую среду. В дальнейшем имеют место потери при передаче электроэнергии в электросетях.
Современные электростанции ответственны за 2/3 суммарных национальных выбросов двуокиси серы (SO2), 1/4 окиси азота (NOx), 1/3 ртути (Hg) и 1/3 выбросов двуокиси углерода (СОг), основного парникового газа. Эмиссии способствуют усугублению серьезных экологических проблем, включая глобальное изменение климата, кислотные дожди, смог, загрязнение водных артерий и эутрофикацию важнейших водоемов (процесса, при котором образуется переизбыток питательных веществ, что приводит к быстрому росту водных растений и подавлению других форм жизни, а также избыточному образованию ила). Те же самые эмиссии вносят свою лепту в многочисленные проблемы со здоровьем.
Оптимизация создаваемых и оценка инвестиционной привлекательности существующих КЭУ на основе программного комплекса «ОПТИМ КЭУ»
Программный комплекс «ОПТИМ КЭУ» включает в себя базу данных о параметрах широкого спектра когенерационных установок и позволяет на ранней стадии энергетического проекта сориентировать инвестора в вопросе оптимального выбора оборудования КЭУ [30,32].
На практике наиболее часто перед инвестором стоят два типа задач. В первом случае, необходимо обосновать выбор из двух конкретных коммерческих предложений, наиболее приемлемой КЭУ. Во втором случае, требуется определить наиболее оптимальный вариант КЭУ из всего спектра современных видов когенерационных установок при определенных заданных исходных параметрах и граничных условиях.
Для примера рассмотрим задачу выбора оборудования ТЭЦ электрической мощностью 60 МВт и тепловой мощностью 57 Гкал/ч для микрорайона Данилово округа Домодедово г. Москвы. Было предложено два альтернативных варианта: первый - с девятью газопоршневыми машинами Rolls-Royce ВЗ5:40V 16AG (ГПМ), второй - схема ТЭЦ с тремя газовыми турбинами ГТЭС-16 ПА (ГТУ) и двумя паровыми П-6-1,2/0,5-1 (ПТУ). Принципиальные схемы мини-ТЭЦ приведены на рис. 2.4.1. и рис. 2.4.2.
В первом случае - тепло вырабатывается в 2-х водогрейных котлах Hoval, а также утилизируется тепло выхлопных газов 9-ти ГПМ. Во втором, тепло передается в сетевом подогревателе подключенном к отопительному отбору ПТУ и утилизируется в 3-х газовых сетевых подогревателях (ГСП) ГТУ.
На рис. 2.2.2 —2.2.5. показан интерфейс программного комплекса «ОПТИМ КЭУ» и представлены некоторые результаты сравнительной оценки. Общая сумма величин критериев для варианта использования 9 (Rolls-Royce)+2 (Hoval) составила 387, а для случая 3 ГТЭС-16П+2П-6 только 277, т.е. на 30% показатели первого варианта выше.
Из диаграммы (рис. 2.4.3) видно, что первый вариант имеет преимущества по всем группам критериев, однако наиболее выгодно он отличается по эксплуатационным и экологическим показателям. Более детально результаты сравнения вариантов использования КЭУ для ТЭЦ микрорайона Данилово в части эксплуатационных и экологических критериев показаны на рис. 2.4.4 и 2.4.5 соответственно.
Первый вариант более предпочтителен по эксплуатационным показателям, таким как стоимость капитального ремонта и срок службы энергоустановок (рис. 2.4.4), а также по экологическим характеристикам - суммарному приведенному выбросу вредных веществ, шумовому воздействию и потреблению технической воды на собственные нужды (рис. 2.4.5). Программный комплекс «ОПТИМ КЭУ» находит практическое применение при проведении предварительного анализа целесообразности использования когенерационных установок в инвестиционных проектах. При необходимости «ОПТИМ КЭУ» может адаптироваться с учетом приоритетов в части технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности. 1. Разработана структура критериально-параметрической базы данных по широкому спектру когенерационных установок. 2. Создан программный комплекс для оптимизации выбора оборудования когенерационных установок, учитывающий приоритеты заказчика в технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности когенерационной системы. 3. Программный комплекс «ОПТИМ КЭУ» позволяет проводить предварительную оценку целесообразности применения различных видов и мощности первичных двигателей при выборе состава когенерационных энергокомплексов. 4. Продемонстрированы практические возможности использования программного комплекса «ОПТИМ КЭУ» на примере вариантов создания ТЭЦ мощностью 60 МВт на основе различных КЭУ для мкр. Данилово округа Домодедово г. Москвы. Перевод муниципальной газовой котельной (МГК) в мини-ТЭЦ с применением газопоршневых когенерационных энергоустановок при хорошем эксплуатационном состоянии водогрейных котлов можно выполнить пристройкой к котельной одного или нескольких газопоршневых когенераторов для полного покрытия потребностей ГВС и частичного или полного покрытия отопительной нагрузки, а также полного покрытия потребления электроэнергии собственных нужд котельной и выдачи в сеть излишков электроэнергии [52, 53]. В случае значительной изношенности водогрейных котлов возможно несколько вариантов замены МГК на мини-ТЭЦ, которые будут отличаются единичной мощностью и количеством газопоршневых когенераторов, работающих по переменной части графика отопительной нагрузки. Тепловые схемы для исследования вариантов пристройки газопоршневых когенерационных энергоустановок к МГК изображены на рис. 3.1.1—3.1.4.
Задачей исследования является сравнение вышеперечисленных вариантов по эффективности и ориентировочным срокам окупаемости. В качестве критерия технической эффективности принят годовой коэффициент использования топлива, потому что электрические КПД энергоустановок одинаковы. Сравнивать удельные расходы на выработку тепла и электроэнергии нельзя, так как они зависят от режима работы энергоустановок и от температуры наружного воздуха.
Оптимизация количества и единичной мощности газовых турбин при переводе водогрейной котельной в мини-ТЭЦ
В системах теплоснабжения городов России находятся в эксплуатации паровые котлы серии ДЕ и ДКВР паропроизводительностью от 16 т/ч до 25 т/ч и с параметрами пара: давление 1,2 - 1,4 МПа, температура 200 -225 С. Для снижения параметров пара до значений, необходимых для подогрева сетевой воды, применяют редукционные охладительные установки (РОУ), что приводит к значительным потерям энергии. С целью снижения вышеуказанных потерь энергии при реконструкции котельной в мини-ТЭЦ вместо РОУ устанавливают противодавленческую турбину, пар из которой подают на подогрев сетевой воды [27]. В летний период при отсутствии отопительной нагрузки котёл и турбина не работают. Однако, если применить контур с низкокипящим теплоносителем (НКТ), то пар из противо-давленческой турбины можно подавать в этот контур и вырабатывать электроэнергию.
В различных отраслях промышленности применяются промышленные печи со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно устанавливать водогрейные котлы, нагретую воду из которых подавать в контур НКТ для выработки электроэнергии.
На магистральных газопроводах устанавливаются газотурбинные компрессорные станции со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие ГТУ можно перевести в режим ГІГУ с применением контуров с НКТ. Дешёвые местные виды топлива можно сжигать в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НКТ. Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют в качестве рабочих тел низкокипящие тела (НКТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах и поэтому привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике. В качестве НКТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, изобутан и др. [22, 26]. Выбор НКТ осуществляется с учётом ряда требований: дешевизна; хорошие теплофизические свойства (максимум работы при минимальных параметрах), НКТ не должен быть ядовитым; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект), замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий России; желательно, чтобы пограничная кривая пара в T-S координатах имела положительную производную, т.е. процесс расширения в турбине заканчивается в области перегретого пара, что исключает эрозию лопаток и не требует перегрева пара перед турбиной. Для значений температур греющих теплоносителей в диапазоне 140-190 С целесообразно применять в утилизационном контуре пентан, критические параметры которого имеют значения 33,7 бар, 196,6 С. Однако в конденсаторе пентановой установки приходится поддерживать температуру 50-60 С, чтобы иметь в нём давление выше атмосферного для предотвращения подсоса воздуха в контур. Для значений температур греющих теплоносителей в диапазоне 100-130 С целесообразно применять в утилизационном контуре хорошо известный в холодильной технике и быту газ бутан. Бутаны (СДІю) - газообразные, насыщенные углеводороды, без цвета и запаха. Критические параметры бутана имеют значения 3 8 бар, 152 С, а давление насыщенных паров при температурах 30....40 С составляет 2,8....3,75 бар. Низкие температуры конденсации увеличивают удельную работу, совершаемую бутаном в турбине. Единственным недостатком бутана (как и пентана) является его взрывоопасность при соединении с кислородом, однако этот недостаток научились преодолевать за счет специальных средств, широко применяющихся в конструкции и при эксплуатации газовых компрессоров и турбодетандеров, появившихся в последнее время в массовом количестве. Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование (рис. 4.1.1) [22]. Области применения предлагаемого бутанового контура в промышленном и коммунальном тепло- и электроснабжении многообразны и определяются источником низкопотенциальной теплоты, подводимой к парогенератору бутана. Проанализируем варианты тепловых схем энергетических установок с применением с НКТ (пентан, бутан). Выработка электроэнергии на тепловом потреблении наиболее эффективна, поэтому на многих паровых котельных промышленных и коммунальных предприятий устанавливают противодавленческие турбины, имеющие минимальные габариты, простые в эксплуатации, дешевые и не требующие сложного сервиса. Основной недостаток варианта надстройки котельных паровыми противодавленческими турбинами состоит в том, что они могут работать только при наличии тепловой нагрузки. Летом, когда тепловая нагрузка горячего водоснабжения составляет только 15% от номинальной, турбина не сможет работать, если не будет дополнительной нагрузки, связанной с потреблением пара низких параметров на технологические нужды. В весенне-осенний период , когда температура наружного воздуха большую часть времени далека от расчетной отопительной, турбина несет не полную нагрузку. В результате коэффициент использования установленной мощности в среднем за год может составлять 0,5 и ниже.
Установка теплофикационной турбины типа «Т» на низкие параметры пара (даже если это возможно при наличии охлаждающей воды) вместо противодавленческой технико-экономически нецелесообразна. Данный вариант имеет более высокую тепловую экономичность, но из-за развитой конденсационной части и наличия поворотной диафрагмы, турбина имеет большие габариты и поэтому должна устанавливаться на специальном фундаменте, что требует, соответственно, и больших габаритов машзала. В пределах строительной площадки котельной не всегда удаётся найти место для машзала.
Анализ эксплуатационных свойств и принципы выбора рабочих тел бинарных энергоблоков, работающих совместно с когенерационными установками
Выбор низкокипящего рабочего тела - одна из важнейших задач, при решении которой следует учитывать различные факторы [23, 25]. Это -экологическая безопасность технологии, теплофизические свойства рабочего тела (теплопроводность и теплоемкость, вязкость, критические параметры), термохимические характеристики, стоимость НРТ, его доступность, изученность и др.
Выбор НРТ сопряжен с многоуровневым сопоставительным анализом целого комплекса его характеристик и определением их взаимосвязи с термодинамическими характеристиками цикла, теплоэнергетическими и весогабаритными характеристиками основного и вспомогательного оборудования.
В работе [75] был выполнен анализ собранных сведений по работающим на сегодняшний день ТЭС на НРТ, который позволил авторам сформулировать важные выводы и отметить проблемы, с которыми приходится сталкиваться при выборе НРТ. Согласно [75], всего насчитывается около 300 химических соединений, которые теоретически возможно использовать в цикле ПТУ. На практике известен опыт применения около 15-ти НРТ, в том числе смесей. Из наиболее распространенных НРТ выделяется пентан. Сегодня существуют попытки широкого внедрения водоам миачного раствора. Обобщая имеющиеся сведения необходимо отметить, что Невозможно выделить оптимальное рабочее тело, отвечающее всем желаемым требованиям. Приходится искать компромисс между такими полярными характеристиками НРТ, как теплофизические показатели и безопасность (экология, токсичность, пожаробезопасность). В настоящее время отмечается переход на использование озонобезо-пасных рабочих тел, в основе - природного происхождения. Большая часть ранее изученных НРТ в соответствии с экологическими резолюциями попадает под экологический запрет и возникает необходимость исследования новых НРТ. Не существует серийных турбин, работающих на НРТ. Компании, внедряющие технологии с использованием НРТ, делают выбор определенного рабочего тела, а затем поэтапно совершенствуют оборудование. В связи с этим, из открытой печати невозможно почерпнуть сведения об эффективности турбины (внутреннем относительном КПД) для разных типов НРТ в интересующем диапазоне температур. Выбор НРТ определяется рядом факторов, основные из которых — это экологическая безопасность и термодинамическая эффективность, доступность получения НРТ, наличие научно-технической базы, климатические условия в месте размещения установок, а также тип и энергетический потенциал источника энергии. Определение конкретного НРТ невозможно на основе предварительного анализа его физико-химических характеристик - без проработки тепловой схемы, оборудования и оценки экологической безопасности. По имеющемуся на сегодняшний день научному заделу [76] можно отметить, что существует банк данных по теплофизическим свойствам НРТ. Имеются сведения о практическом опыте работы ТЭС на НРТ, а также по некоторым видам НРТ в области температур, характерных для циклов холодильных машин и тепловых насосов. Разработаны методики расчета теплообмена для НРТ при различных условиях. Химической промышленностью создан информационный задел по данным термической стабильности и взаимодействию НРТ с конструкционными материалами. Накопленная в смежных для энергетики отраслях промышленности информация может быть использована с рядом оговорок. Это, в первую очередь, связано с несоответствием температурных диапазонов и условий работы ПТУ на НРТ и промышленных теплоэнергетических установок: Например, уравнения по расчету режимов теплообмена для НРТ в холодильной технике имеют ограничения. При проектировании теплообменников использование формул для расчета коэффициентов теплоотдачи кипения или конденсации фреонов при тепловых потоках, характерных для теплоэнергетики, может приводить к погрешностям. Термическая стабильность НРТ исследована при краткосрочном воздействии температур в присутствии ограниченного количества конструкционных материалов. В разработанной методике выбора НРТ предложено сначала определять круг наиболее подходящих НРТ, а затем для этого круга рассматривать технологические особенности тепловых схем, основного тепломеханического оборудования с анализом дополнительных характеристики НРТ. Характеристики НРТ подчиняются стандартным правилам и нормам, разработанным либо международными, либо специальными государственными организациями. Основные характеристики на начальном этапе "позволяют определить круг возможных рабочих тел, из которого уже с учетом анализа дополнительных характеристик будет выбрано наиболее подходящее НРТ. Дополнительные характеристики НРТ могут быть приняты к анализу на основании задания на проектирование. Поскольку понятие «рабочее тело» или «холодильный агент» обозначает лишь принадлежность к прямому тепловому или обратному холодильному циклу, а применимо к одним и тем же химическим соединениям, то для НРТ будем пользоваться некоторыми общепринятыми в холодильной технике понятиями.
Классифицировать НРТ можно различными способами, например, по составу атомов в молекуле, по происхождению (природное, синтезированное), по экологическим признакам.
Характеристики НРТ настолько разнообразны, что одни из них могут принимать числовое значение, а другие отвечать на вопрос «да» или «нет», как, например, промышленное производство. Характеристике «изученность» НРТ сложно дать количественную оценку. Значение характеристики озоноразрушающего потенциала (ODP) для некоторых НРТ, например R-21, несколько раз пересматривалось. Для ряда НРТ в России не разработаны технические условия и санитарные нормы, поэтому вместо традиционного понятия ПДК приходится оперировать с её иностранными аналогами TLV, AEL.
Похожие диссертации на Оптимизационные исследования и выбор рациональных схем когенерационных энергокомплексов
