Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ научно-технической литературы постановка задачи исследования 10
1.1 Детандер-генераторные агрегаты 10
1.1.1 Традиционные ДГА 10
1.1.2 Бестопливные детандер-генераторные установки 16
1.1.2.1 Установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса 18
1.1.2.2 Установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и воздушного теплового насоса 21
1.2 Ветроэнергетические установки 22
1.2.1 Общие сведения о ветровой энергии 23
1.2.2 Основные типы ветроэнергетических установок 24
1.2.3 Режимы работы ветроэлектрических установок автономного применения 27
1.2.4 Расчет ветроэнергетической установки 28
1.3 Аккумуляторы теплоты 29
1.4 Постановка цели и задач исследования 31
2 Разработка схемы бестопливной установки для производства электроэнергии, теплоты и холода на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и ветроэнергетической установки. Выбор критериев оценки эффективности работы установки .32
2.1 Разработка схемы бестопливной установки 32
2.1.1 Схема усовершенствованной бестопливной детандер-генераторной установки с дополнительными теплообменниками 34
2.1.2 Принципиальная схема бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и ветроэнергетической установки 36
2.2 Выбор критериев оценки эффективности работы установки 37
2.2.1 Электрическая мощность, вырабатываемая ДГА 38
2.2.2 Доля выработанной ДГА электрической мощности, отдаваемая потребителю 42
2.2.3 Эксергетический КПД установки 44
2.2.4 Эффективность использования теплоты, подведенной к установке 46
2.2.5 Технико-экономические показатели установки 47
2.2.6 Выбор критерия оценки эффективности установок для проведения исследований 48'
3 Анализ работы установки при подводе теплоты возобновляемого источника энергии. Разработка математической модели и алгоритмов расчета 50
3.1 Анализ работы установки при подводе теплоты возобновляемого источника энергии в теплообменнике подогрева газа после конденсатора ТНУ 51
3.1.1 Режим без регенеративного подогрева газа перед конденсатором ТНУ .55
3.1.2 Режим с регенеративным подогревом газа перед конденсатором ТНУ 56
3.2 Разработка математической модели 58
3.3 Разработка алгоритмов расчета 64
3.3.1 Режим без регенерации теплоты газа после детандера 65
3.3.2 Режим с регенерацией теплоты газа после детандера 67
4 Влияние теплоты возобновляемого источника энергии и параметров процессов на эффективность работы установки без регенерации теплоты газа после детандера 70
4.1 Результаты расчета 71
4.1.1 Газорегуляторные пункты 71
4.1.2 Газораспределительные станции 82
4.2 Анализ полученных результатов 93
4.2.1 Влияние температуры газа после конденсатора ТНУ 93
4.2.2 Влияние тепла, подводимого от ВЭУ 95
5 Влияние теплоты возобновляемого источника энергии и параметров процессов на эффективность работы установки с регенерацией теплоты газа после детандера 97
5.1 Результаты расчета 98
5.1.1 Газорегуляторные пункты 98
5.1.2 Газораспределительные станции 109
. 5.2 Анализ полученных результатов 120
5.2.1 Влияние температуры газа после конденсатора ТНУ 120
5.2.2 Влияние тепла, подводимого от ВЭУ 122
6 Сравнительный анализ энергетической эффективности схем установок без регенерации и с регенерацией теплоты газа после детандера 124
6.1 Доля электроэнергии, отдаваемой в сеть 125
6.2 Полезная электрическая мощность установки 135
Выводы 144
Список использованных источников 146
Приложение 152
- Установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса
- Электрическая мощность, вырабатываемая ДГА
- Газорегуляторные пункты
- Доля электроэнергии, отдаваемой в сеть
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Развитие высокоэффективных энергосберегающих технологий является на сегодняшний день задачей государственной важности. Это объясняется значительной энергоемкостью промышленного производства в России, нерачительными затратами энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве, приводящими к разбазариванию природных запасов страны, излишним затратам общественного труда.
Одной из высокоэффективных технологий производства электроэнергии является детандер-генераторная технология, основанная на применении в системах газоснабжения, на предприятиях, использующих в качестве топлива природный газ, детандер-генераторных агрегатов (ДГА), высокая энергетическая эффективность которых нашла практическое подтверждение.
ДГА могут использоваться на газораспределительных станциях (ГРС), а также на компрессорных станциях (КС) в газивой промышленности, на газоре-гуляторных пунктах (ГРП) всех промышленных предприятий - крупных потребителей газа. Потенциал энергосбережения в России при внедрении ДГА достаточно высок. Так, только в ОАО «Газпром», по предварительным оценкам, установленная электрическая мощность ДГА может составить более 1700 МВт.
Особый интерес представляет развитие научного направления, связанного с известными бестопливными ДГА, в состав которых входят теплонасосные установки (ТНУ). Увеличение полезной мощности таких установок, в том числе и за счет применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым относятся также и ветроэнергетические установки (ВЭУ), позволит значительно повысить энергетическую эффективность их использования.
Целью исследования является создание научных основ и определение путей повышения энергетической эффективности работы бестопливных детандер-генераторных установок за счет применения ветроэнергетической установки. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать усовершенствованную схему детандер-генераторной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и ветроэнергетической установки.
-
Выбрать критерии оценки эффективности работы установки.
-
Создать математическую модель установки и разработать алгоритмы расчета для режимов работы установки без регенерации и с регенерацией теплоты потока газа после детандера.
-
Провести термодинамический анализ работы установок в различных режимах и определить степень влияния параметров процессов на критерии оценки эффективности в схемах работы установки без регенерации и с регенерацией теплоты.
-
Выполнить сравнительный анализ эффективности работы схем установок в режимах без регенерации и с регенерацией теплоты газа после детандера.
Научная новизна. - Исследовано влияние режимных факторов на энергетическую эффективность установки на базе ДГА, ТНУ и ВЭУ.
Впервые разработана математическая модель бестопливной энергогенери-рующей установки, сочетающей в себе ДГА, ТНУ и ВЭУ.
Впервые разработаны и апробированы алгоритмы расчета зависимости выбранных критериев энергетической эффективности от параметров процессов при различных режимах работы установки с применением и без применения регенерации теплоты газового потока после детандера.
Получены функциональные зависимости выбранных критериев от параметров процессов при различных режимах работы установки.
Разработаны способы повышения энергетической эффективности бестоплив-ньк энергогенерирующих установок на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса за счёт использования возобновляемых источников энергии.
Практическая значимость работы.
Разработана защищенная патентом на полезную модель схема бестопливной энергогенерирующей установки, сочетающей в себе детандер-генераторный агрегат, тепловой насос и ветроэнергетическую установку.
Разработанные алгоритмы расчёта позволяют определить энергетическую эффективность установки при различных параметрах процессов и режимах работы.
Автор защищает:
схему бестопливной энергогенерирующей установки, сочетающей в себе детандер-генераторный агрегат, тепловой насос и ветроэнергетическую установку;
математическую модель бестопливной энергогенерирующей установки, сочетающей в себе детандер-генераторный агрегат, тепловой насос и ветроэнергетическую установку, и алгоритмы расчета зависимости выбранных критериев от параметров процессов при различных режимах работы установки;
результаты анализа зависимости выбранных критериев эффективности работы установки от параметров процессов при различных режимах работы и
- способы повышения энергетической эффективности рассмотренных устано
вок.
Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлены применением современных методов термодинамического анализа.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на IV Международной научно-практической конференции МИСиС, Москва, 2008 г., на научной конференции «Дни науки» в Институте округа Лаузитц, г. Коттбус, ФРГ, 2009 г., на научном семинаре НТИЦ ЭТТ МЭИ (ТУ), 2009 г., на конференции УГТУ, г. Ухта, 2010 г., на Школе-семинаре «Энергосбережение - теория и практика» в МЭИ (ТУ), Москва, 2010 г., на научном семинаре кафедры Тепломассообенных процессов и установок МЭИ (ТУ), 2011 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованных источников, изложенных на 151 странице, включая 59 рисунков и 25 таблиц, кроме того приложения на 110 страницах, в том числе 80 рисунков и 40 таблиц. Список использованных источников состоит из 67 наименований.
Установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса
Принципиальная схема установки, в которой для подогрева транспортируемого газа перед детандером используется тепловой насос, приведена на рисунке 1.2 [37]. Установка работает следующим образом. Газ высокого давления поступает в теплообменник 5, греющей средой в котором является хладагент контура теплонасосной установки. ТНУ повышает уровень температуры теплоты, полученной от низкопотенциального источника в испарителе 9. Нагретый в теплообменнике 5 газ высокого давления подается в детандер 2. После расширения в детандере, газ направляется в трубопровод низкого давления 4, а механическая работа, полученная в детандере, преобразуется в электрическую энергию в электрогенераторе 1. Часть электроэнергии, выработанной генератором, должна быть израсходована на технологический подогрев газа перед детандером посредством ТНУ.
Оставшаяся электроэнергия может быть полезно использована для отпуска внешнему потребителю или производства дополнительной теплоты с помощью той же теплонасосной установки. Дополнительно выработанная теплота может быть использована для подогрева газа в теплообменнике 5. (Дополнительный подогрев газа перед его использованием в топках котлов или печей, как известно, позволяет снизить расход топлива).
Основным преимуществом рассматриваемой ДГУ является то, что для обеспечения ее работы не требуется сжигания топлива, достаточно использовать лишь низкопотенциальную энергию либо окружающей среды, либо вторичных энергетических ресурсов.
Еще более широкие возможности использования оставшейся от обеспечения технологического подогрева газа электроэнергии дает установка, схема которой приведена на рисунке 1.3 [41].
Описание схемы установки и принципов ее работы можно найти в [41]. Установка позволяет кроме электроэнергии получать еще и теплоту для внешнего потребителя и может работать в следующих режимах:
1) В режиме с отпуском максимально возможного количества электроэнергии внешнему потребителю.
2) В режиме с отпуском максимально возможного количества теплоты внешнему потребителю.
3) В режиме с отпуском электроэнергии и теплоты внешним потребителям.
4) В режиме с максимально возможным подогревом газа.
5) В режиме с подогревом газа и отпуском теплоты внешним потребителям.
Электрическая мощность, вырабатываемая ДГА
Эта величина определяется механической работой, производимой детандером ДГА, а также КПД механическим и генератора, при пропуске через него единицы массового расхода (одного килограмма в секунду) магистрального газа. В связи с тем, что определение электрической мощности, производимой ДГА, необходимо при определении всех альтернативных критериев, рассмотрим этот вопрос более подробно.
Как известно, работа, получаемая в ДГА, зависит от параметров (давления и температуры) газа перед ДГА и от перепада давления в детандере. Этот перепад определяется назначением объекта, на котором устанавливается ДГА. Так, на газораспределительных станциях абсолютные давления на входе в детандер могут находиться в пределах 4,0 — 7,0 МПа, а давление выхода составляет обычно 1,5 МПа. На газорегуляторных пунктах промышленных предприятий давления на входе в детандер находятся в пределах от 0,4 до 1,2 МПа, а давления выхода определяются технологией использования газа и составляют обычно 0,2 - 0,3 МПа.
Для расчета работы ДГА создана компьютерная программа [58], основанная на точном уравнении для термодинамических свойств метана [59-64], позволяющая, определять их при задании различных входных параметров.
На основе этих расчетов авторами было получено уравнение для расчета работы ДГА в зависимости от температуры входящего в него газа при различных перепадах давления, справедливое для интервала температуры от 0 до 300С
Отметим, что в данном случае, в отличие от большинства имеющихся в литературе работ, где подводимая теплота и мощность ДГА рассчитываются в приближении постоянства значений изобарной теплоемкости и показателя адиабаты к метана, расчет этих величин производится по точному уравнению.
Важность этого обстоятельства иллюстрируется данными, приведенными на рисунке 2.3 [65], где показано, что изобарная теплоемкость метана существенно изменяется при изменении температуры и давления. Точно также и показатель адиабаты (изоэнтропы) для метана не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от температуры и давления [65]. Эта зависимость показана на рисунке 2.4. Расчет работы ДГА при условии постоянства показателя изоэнтропы приводит погрешности ее определения, величина которой показана на рисунке 2.5.
Приведенные выше данные относятся к чистому метану. Транспортируемый же по различным трубопроводам природный газ имеет различные компонентные составы. По данным [60] содержание метана в природном газе колеблется от 62,4% до 98,9%. Для того чтобы определить влияние состава природного газа на вырабатываемую детандером мощность, в работах [61-64] была разработана программа расчета термодинамических свойств природного газа, в основе которой лежат ГОСТы 30319.0-96, 30319.1-96, 30319.2-96 и 30319.3-96. Результаты проведенных расчетов показывают, что снижение доли метана в газе на каждые 5% приводит к расхождению около 3%. Так как свойства природного газа сильно зависят от его состава и не имеет смысла рассчитывать их для всех трубопроводов, то все расчеты в данной работе будут проводиться для чистого метана.
Преимущества критерия:
1.Позволяет напрямую определить электрическую мощность, которую будет иметь установка при заданных параметрах процессов.
2.Наглядность.
3.Возможность использования полученного результата при вычислениях значений всех других критериев.
Недостатки критерия:
l. He позволяет определить эффективность использования тепла, подведенного к установке, для производства электроэнергии.
2.Неприменим при рассмотрении установок, производящих другие виды энергии, кроме электрической (теплоту, холод).
3. Не позволяет учесть ценность теплоты, подведенной к установке.
Газорегуляторные пункты
В таблицах 4.1а - 4.1 г представлены результаты расчета доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, в зависимости от тепловой мощности ВЭУ, подводимой в теплообменнике для давлений входа/выхода 0,8/0,2 для температур 50С (таблица 4.1а); 60С (таблица 4.16); 70С (таблица 4.1 в) и 80 С (таблица 4.1 г). По данным таблиц 4.1а — 4.1 г построены представленные соответственно на рисунках 4.1а — 4.1е графические зависимости.
На рисунках 4.1а - 4.1 в представлены графики зависимости доли электроэнергии, отдаваемой в сеть:
- от температуры газа после конденсатора ТНУ, при различных тепловых мощностях, подведенных от ветроэнергетической установки (рисунок 4.1а);
- от абсолютной тепловой мощности, подведенных от ветроэнергетической установки, при различных температурах газа после конденсатора ТНУ (рисунок 4.16);
- от относительной тепловой мощности, подведенной от ветроэнергетической установки, при различных температурах газа после конденсатора ТНУ (рисунок 4.1в).
(Отметим, что под относительной тепловой мощностью понимается отношение тепловой мощности, подведенной от ВЭУ в теплообменнике, к тепловой мощности, передаваемой газу в конденсаторе ТНУ без подвода тепловой мощности от ВЭУ.)
На рисунках 4.1 г - 4.1 е представлены графики зависимости полезной мощности, отдаваемой в сеть:
- от температуры газа после конденсатора ТНУ, при различных тепловых мощностях, подведенных от ветроэнергетической установки (рисунок 4.1 г).
- от абсолютной тепловой мощности, подведенных от ветроэнергетической установки, при различных температурах газа после конденсатора ТНУ (рисунок 4Лд);
- от относительной тепловой мощности, подведенных от ветроэнергетической установки, при различных температурах газа после конденсатора ТНУ (рисунок 4.1е).
Аналогичные расчеты были проведены для давлений входа/выхода 1,0/0,2 и 1,2/0,2, характерных для существующих ГРП. Результаты расчетов для давлений 1,0/0,2 представлены в приложении в таблицах П1а — П1г, для давлений 1,2/0,2 - в таблицах П2а - П2г. По данным таблиц П1а - П1г и П2а - П2г построены представленные в приложении соответственно на рисунках Ша — П1е и П2а — П2е графические зависимости, аналогичные зависимостям, приведенным на рисунках 4.1 а - 4.1 е.
Доля электроэнергии, отдаваемой в сеть
В таблицах 5.2а - 5.2г представлены результаты расчета доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, в зависимости от тепловой мощности ВЭУ, подводимой в теплообменнике для давлений входа/выхода 4,0/1,5 для температур 50С (таблица 5.2а); 60С (таблица 5.26); 70С (таблица 5.2в) и 80 С (таблица 5.2г). По данным таблиц 5.2а - 5.2г построены представленные соответственно на рисунках 5.2а — 5.2е графические зависимости.
Аналогичные расчеты были проведены для давлений входа/выхода 5,0/1,5 и 6,0/1,5, характерных для существующих ГРС. Результаты расчетов для давлений 5,0/1,5 представлены в таблицах П7а - П7г, для давлений 6,0/1,5 - в таблицах П8а — П8г. По данным таблиц П7а — П7г и П8а — П8г построены представленные соответственно на рисунках П7а — П7г и П8а - П8г графические зависимости, аналогичные зависимостям, приведенным на рисунках 5.2а - 5.2е.
Сравнение долей электроэнергии, отдаваемой в сеть, для схем без регенерации и с регенерацией теплоты транспортируемого газа после детандера при различных тепловых мощностях, подводимых в теплообменнике перед детандером, может быть проведено с использованием результатов расчетов, приведенных в таблицах 4.1, Ш, П2, 4.2, ПЗ, П4, 5.1, П5, П6, 5.2, П7, П8. По данным, приведенным в указанных таблицах, построены графики зависимостей долей электроэнергии, отдаваемой в сеть, от тепловых мощностей, подводимых в теплообменнике перед детандером.
На рисунках 6.1а - 6.1г представлены результаты расчета доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, в зависимости от тепловой мощности ВЭУ, подводимой в теплообменнике, для схем без регенерации и с регенерацией теплоты для принятых в главах 4 и 5 условий расчета при давлениях входа/выхода 0,8/0,2 для температур 50С (рисунок 6.1а); 60С (рисунок 6.16); 70С (рисунок 6.1в) и 80 С (рисунок 6.1 г).
Зависимость доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, от теплоты, подведенной от ВЭУ, при температуре газа на выходе из конденсатора ТНУ, равной 50 С и соотношении давлений 0,8/0,2 МПа.
Зависимость доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, от теплоты, подведенной от ВЭУ, при температуре газа на выходе из конденсатора ТНУ равной 70 С, и соотношении давлений 0,8/0,2 МПа.
Зависимость доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, от теплоты, подведенной от ВЭУ, при температуре газа на выходе из конденсатора ТНУ равной 80 С, и соотношении давлений 0,8/0,2 МПа
Аналогичные графики, построенные для соотношений давлений 1,0/0,2 и 1,2/0,2 приведены в приложении на рисунках П9а — П9г иШОа-ПЮг соответственно. На рисунках 6.2а — 6.2г представлены результаты расчета доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, в зависимости от тепловой мощности ВЭУ, подводимой в теплообменнике, для схем без регенерации и с регенерацией теплоты для принятых в главах 4 и 5 условий расчета при давлениях входа/выхода 4,0/1,5 для температур 50С (рисунок 6.2а); 60С (рисунок 6.26); 70С (рисунок 6.2в) и 80 С (рисунок 6.2г).
Аналогичные графики, построенные для соотношений давлений 5,0/1,5 и 6,0/1,5 приведены в приложении на рисунках Ш 1а - Ш 1г и П12а - П12г соответственно.
Анализ приведенных графиков показывает, что доля электроэнергии, отдаваемой в сеть, при увеличении тепловой мощности, подводимой от ВЭУ в теплообменнике перед детандером, в схеме с регенерацией теплоты газа после детандера возрастает более интенсивно, чем в схеме без регенерации. Меньшие значения доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, в схеме с регенерацией по сравнению с аналогичными показателями в схеме без регенерации при низких температурах газа после конденсатора ТНУ и малых тепловых потоках, подводимых от ВЭУ, объясняются тем, что в этих случаях температура газа после детандера оказывается ниже, чем принятая при расчетах температура газа на входе в установку. Поэтому в регенеративном подогревателе транспортируемый газ не подогревается, а охлаждается, его температура перед конденсатором ТНУ понижается, что приводит к росту нагрузки на теплонасосную установку и, соответственно, увеличению потребной электрической мощности, подводимой к компрессору ТНУ. При высоких температурах газа после конденсатора ТНУ и больших тепловых потоках, подводимых от ВЭУ, доля электроэнергии, отдаваемой в сеть, в схеме с регенерацией теплоты газа после детандера оказывается большей, чем в схеме без регенерации. Так, при принятых в главах 4 и 5 условиях расчета при давлениях входа/выхода 0,8/0,2 при тепловом потоке, подведенном от ВЭУ, равном 25 кВт, доля электроэнергии, отдаваемой в сеть, в схеме с регенерацией теплоты газа после детандера превосходит аналогичный показатель для схемы без регенерации для температуры 50С в 1,14 раза; для 60С - в 1,23 раза; для 70С - в 1,37 раза и для 80 С - в 1,61 раза. Эти и аналогичные данные для других соотношений давлений входа/выхода приведены в таблицах 6.1а — 6.1г. Следует обратить внимание, что расчеты, проведенные в различных диапазонах давлений — высоких и низких - при одном и том же отношении давлений входа/выхода, равном 4,0, привели к одним и тем же результатам, что является подтверждением правильности выбранного метода расчетов.
На рисунке 6.3 приведены построенные по данным таблиц 6.1а - 6.1 г графики зависимости отношения доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, в схеме с регенерацией теплоты газа после детандера к такому же показателю в схеме без регенерации теплоты от соотношения давлений входа/выхода при различных температурах газа на выходе из конденсатора ТНУ. Из приведенных графиков видно, что эффект от применения регенерации зависит как от отношения давлений газа на входе и выходе детандера, так и от температуры газа на выходе из конденсатора ТНУ. Так, эффект от применения регенерации заметно возрастает при уменьшении отношения давлений входа/хода и при увеличении температуры газа на выходе из конденсатора ТНУ.
Это подтверждают и приведенные на рисунке 6.4 построенные по данным таблиц 6.1а - 6.1 г графики зависимости отношения доли электроэнергии, отдаваемой в сеть, в схеме с регенерацией теплоты газа после детандера к такому же показателю в схеме без регенерации теплоты от температуры газа на выходе из конденсатора ТНУ при различных соотношениях давлений входа/выхода.
