Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние и перспективы водных ресурсов на ближнем востоке 9
1.1. Современное состояние водных ресурсов в Иране 9
1.2. Технологии опреснения
1.2.1. Процесс теплового опреснения 14
1.2.2. Процесс мембранного опреснения 16
1.3. Описание деятельности осуществляется в области опреснения воды 17
ГЛАВА 2. Современное состояние и перспективы развития энергетики в Иране 26
2.1. Современное состояние энергетики в Иране 26
2.2. Общее потребление первичной энергии 27
2.3. Традиционные источники энергии: обзор
2.3.1. Нефть 29
2.3.2. Природный газ 30
2.3.3. Каменный уголь 31
2.4. Обзор возобновляемых источников энергии 32
2.4.1. Энергия солнца 32
2.4.2. Энергия ветра 33
2.4.3. Энергия воды 34
2.4.4. Геотермальная энергия 34
2.4.5. Биогаз
2.5. Ядерная энергия 35
2.6. Энергия термоядерного синтеза 35
2.7. Электроэнергетический сектор 36
2.8. Важность использования вторичных энергоресурсов 37
2.9. Заключение и рекомендации 38
ГЛАВА 3. Моделирование установки когенерации электроэнергии и пресной воды 40
3.1. Термодинамическое моделирование установки 40
3.1.1. Расчет минимальной работы, необходимой для опреснения морской воды 45
3.1.2. Корреляции коэффициента теплопередачи, используемые в моделях METVC и MED 46
3.1.3. Математическая модель котла-утилизатора 46
3.1.4. Математическая модель конденсатора
3.2. Технические характеристики газовой турбины Solar Centaur 40 51
3.3. Описание систем децентрализованной когенерации электроэнергии и питьевой воды 3.3.1. Технологии опреснения которые используются в децентрализованной когенерации 53
3.3.2. Гибридная система опреснения
3.4. Моделирование установки децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на базе газовой турбины 58
3.5. Моделирование установки децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на базе газового двигателя 64
3.6. Экономический анализ централизованной системы когенерации
электроэнергии и пресной воды 67
3.6.1. Расходы на производства электроэнергии 68
3.6.2. Расходы на производство воды 79
3.7. Выводы 89
ГЛАВА 4. Анализ эффективности газовой турбины и её взаимодействие с тепловой опреснительной установки 93
4.1. Система опреснения многоколонной дистилляции с пароэжектором (METVC) 93
4.2. Критерии эффективности 97
4.3. Моделирование ГТУ с впрыском пара 98
4.3.1. Влияние коэффициента сжатия (CR) 100
4.3.2. Влияние давления рабочего пара (pm) 103
4.3.3. Влияние нагрева морской воды 106
4.3.4. Выбор параметров и производительность опреснения METVC 107
4.4. Расчет условий и критериев производительности для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения 108
4.4.1. Критерии производительности 110
4.5. Конфигурация ГТУ с впрыском пара для когенерации электроэнергии и пресной воды 113
4.5.1. Влияние коэффициента расхода пара xj 114
4.5.2. Влияние коэффициента давления и температуры газа на входе в турбину (TIT) цикла 116
4.5.3. Восстановление энергии из отработанного газа 119
4.6. Выводы 121
Заключение 123
Список сокращений и условных обозначений 125
Список литературы 1
- Процесс теплового опреснения
- Традиционные источники энергии: обзор
- Математическая модель котла-утилизатора
- Расчет условий и критериев производительности для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения
Введение к работе
Актуальность исследования определяется тем фактом, что в настоящее время обеспечение водой таких сфер, как сельское хозяйство, промышленность, является одной из главных и серьёзных проблем в Иране.
Отсутствие пресной воды не временная проблема в стране или районе, но долгосрочная и существенная проблема для выживания человека и развития обществ на нашей планете. В районе Ближнего Востока, большинство стран не имеют доступа к достаточному количеству пресной воды. С другой стороны они окружены неограниченным количеством морской воды. Таким образом, опреснение морской воды является хорошим решением для производства пресной воды.
Иран имеет значительное количество газотурбинных установок, которые были расположены недалеко от побережья региона. Из-за нехватки свежей воды в Иране, эти электростанции могут использоваться для обеспечения пресной воды.
В последние годы многие газовые турбины, работающие в открытом цикле в Иране были преобразованы в режим комбинированного цикла с целью повышения тепловой эффективности. Но на многих электростанциях, температура основного выхлопного стека газа по-прежнему высока, и поэтому можно использовать дополнительное тепло при снижении температуры выхлопных газов до допустимого значения в качестве входного источника энергии для тепловой установки по опреснению воды.
Объект исследования. Процесс опреснения морской воды на основе газотурбинной установки с использованием критериев эффективности энергии и эксэргии газовой турбины (ГТ).
Предмет исследования. Газотурбинная установка и его взаимодействие с опреснительной системой.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научно-технических основ создания систем децентрализованной когенерации электроэнергии и получения пресной воды, которые используют газовую турбину в качестве первичного источника.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Обзор и изучения состояния и перспективы развития энергетики в Иране;
Изучение различных методов опреснения воды, их сравнение и выявление преимуществ и недостаток;
Изучение различных видов газовых турбин и области их использования в Иране;
Выбор собственной ГТ для целей когенерации электроэнергии и пресной воды на основе анализа существующих ГТУ и с учетом экологических и расположенных требований;
Моделирование установки децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на базе газовой турбины;
Технико-экономические исследования ГТ Solar Centaur 40 для децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды;
Обзор условий и критериев производительности ГТУ с впрыском пара для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения;
Научная новизна:
выполнен анализ состояние энергетики различных энергоресурсов в Иране за последние десятилетия и влияния энергоресурсов на стабильность производства энергии. Представлены решения для повышения эффективности электростанций;
проанализировано состояние водных ресурсов, системы опреснения воды на Ближнем Востоке и в мире, а также сравнение их мощностей с Ираном;
обоснованы экономические и технические стороны децентрализованного производства с целью развития процессов опреснения воды и улучшения обеспечения водой в Иране;
обосновано производство электроэнергии и пресной воды на основе: газотурбинной установки, двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на газовом топливе и распределительных сетей при помощи разных технологий опреснения морской воды;
впервые выполнен анализ эффективности ГТУ с впрыском пара и его взаимодействие с опреснительной установкой;
обоснованы условия и предложены критерия производительности ГТУ с впрыском пара для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения.
Личный вклад автора. Все обобщения, расчётно-теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе выполнены непосредственно автором.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение для Ирана. Решить задачу повышения выработки электроэнергии можно не только за счет строительства новых электростанций, но и путем модернизации действующих. В Иране есть проблема питьевой воды. С другой стороны в этой стране много электростанций находящихся на юге Ирана
рядом с Персидским заливом. Эти электростанции могут использоваться для обеспечения пресной воды.
Методология и методы исследования. В работе использовались как теоретические методы (идеализации, формализации), так и экспериментальные (моделирования, сравнения). В данной работе, при определении характеристик и производительности системы опреснения воды использовался пакет «Thermoflow».
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Компьютеризированные модели комбинированных систем на основе ГТ были подтверждены: (1) оценкой физической чувствительности результатов расчета для каждого компонента и для всего цикла, (2) возможностью относительных погрешностей только 10-4 в программе Aspen Plus (3) сравнением с имеющимися результатами, (4) оценкой относительных погрешностей в массовом и энергетическом балансе компьютеризированной модели устройства METVC, где ранее было установлено, что <10-5 и далее <10-13.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четыре глава, заключения, списка литературы.
Основной текст изложена на 136 страницах, диссертация содержит 38 рисунков, 51 таблицу, список использованных источников, включающий 75 наименования.
Процесс теплового опреснения
Методы опреснения по использованию делятся на тепловые и мембранные опреснительные системы. Многоколонная дистилляция и обратный осмос являются наиболее распространенными методами. Йохансен и др [2], Камель и Симс [3] изучали сочетание различных электростанций и систем опреснения воды (RO, MED и MSF) для одной цели, двойного назначения и для гибридного опреснения. Они представили финансовую модель на основе классического метода распределения затрат и объектов двойного назначения для оценки стоимости интегрированного предприятия, а также расчет мощности и стоимости воды. Влахос и Калдель [4] изучали использование тепла выхлопных газов газовой турбины с помощью технико-экономического подхода для получения пресной воды. Они пришли к выводу, что могут обеспечить свежую воду, необходимую местным жителям, и уменьшить ежегодный импорт нефти примерно на 15 000 тонн. Фиорини и Сциубба провели термо-экономический анализ MED опреснительной установки [5]. Они представили модель термодинамического и термоэкономического анализа опреснения технологии MED с параллельным потоком. Опреснительные установки MED были подключены к электростанции комбинированного цикла и получали пар из паровой турбины. Цена воды, полученной в этой системе, в значительной степени больше зависит от стоимости инвестиций, чем от эксплуатационных расходов. Шакартегиу и др. изучали модифицированные электростанции комбинированного цикла [6]. Они оценивали различные системы для регенерации тепла из конденсата паровой турбины. Они использовали энергоустановку с конденсатором комбинированного цикла для повышения температуры соленой воды, а затем изменили регенерацию тепла из дымовых газов трубы для повышения температуры морской воды. Они проанализировали когенерационной цикл электростанции и блока опреснения. И, наконец, они оценили влияние таких параметров, как давление в конденсаторе, температура дымовой трубы для газа и температура охлажденной воды на входе в конденсатор. Они пришли к выводу, что для всех предложенных схем когенерации, ожидается снижение выработки электроэнергии в связи с увеличением давления в конденсаторе. Чжао и др. использовали MED опреснение для физиологического раствора сточных вод нефтеперерабатывающего завода в Китае. Термодинамическая модель, которая была основана на балансе массы и энергии, была разработана на различных стадиях процесса опреснения [7]. Они показали, что в системе MED, количество эффектов является важным параметром для поддержания баланса между затратами и более продуктивной добычей воды. Таким образом, увеличение количества эффектов привело к увеличению капитальных затрат и преодолело затраты на воду. С другой стороны, они обнаружили, что общие площади теплопередачи системы уменьшаются с увеличением температуры подачи пара. Они также обнаружили, что повышение температуры испарителя в последнем эффекте привело к увеличению фактора GOR1.
Аль-Мутаз и Вазиру рассмотрели текущее состояние систем опреснения MEDVC и смоделированы его [8-9]. Ханафиа и др. изучали термоэкономическую модель комбинированной силовой установкой когенерации. Предприятие MEDVC имеет оптимальное проектное значение для максимального производства воды [10]. Амер разработал метод системного анализа опреснения METVC [11]. Он предположил, что максимальный коэффициент усиления для 4 и 12 эффектов колебался от 8,5 до 18,5. Он использовал оптимальную наивысшую температуру раствора в диапазоне от 55,8 до 67,5 C. Паула и др. были сосредоточены на математическом моделировании и оптимизации многоэффектных испарительных установок (MEE). Была представлена детальная модель, чтобы точно предсказать производительность системы MEE [12].
Сундарамурти и др. представили новую аналитическую модель, которая предоставила явные уравнения для пространственных изменений давления, скорости жидкости и концентрации растворенного вещества на канале подачи на стороне спиральнонавитого модуля RO [13]. Чжу и др. оценивали оптимальный удельный расход энергии (SEC), соответствующее восстановление воды и удельную производительность мембраны для одной ступени и двухступенчатых систем мембранного опреснения RO и предложили оптимальную политику динамических операций, которые могли бы существенно сократить удельный расход энергии по сравнению с установившимися операциями процесса [14]. Эсхул и др. представили анализ эксергии фактической двухступенчатой системы опреснения морской воды (RO) с раствором морской воды в качестве реальной смеси (не идеальной смеси) [15]. Они предположили, что с помощью турбины рекуперации энергии и давления обменника можно добиться снижения общего энергопотребления опреснения морской воды методом обратного осмоса (в
GOR является мерой того, насколько тепловой энергии потребляются в процессе опреснения пределах 30% и 50%). Они показали, что удельный расход электроэнергии для опреснения морской воды методом обратного осмоса на м3 пермеата может быть снижен с 7,2 кВт / м3 до 5,0 кВт / м3 для турбины рекуперации энергии и на 3,6 Вт / м3 для применения теплообменника, работающего под давлением. С другой стороны, эффективность эксергии опреснительных установок RO увеличивается примерно на 49% с турбиной рекуперации энергии и на 77% при использовании теплообменника, работающего под давлением. Они доказали, что с помощью турбины рекуперации энергии и теплообменника, работающего под давлением, можно повысить производительность системы обратного осмоса.
Гурия и др. применили схему многоцелевой оптимизации (МОО) с использованием генетического алгоритма (ГА) для опреснения соленой и морской воды, используя спиральнонавитый или трубчатый модули [16]. Площадь мембраны была самой важной переменной решения при проектировании спирального модуля для опреснения соленой и морской воды, в то время как Р является наиболее важной переменной решения при проектировании трубчатого модуля для опреснения соленой воды (где качество пермеата имеет первостепенное значение). Площадь мембраны в качестве проектного параметра в опреснения соленой и морской воды с использованием спиральнонавитых модулей и приложенного давления в качестве рабочего параметра при опреснении соленой воды с использованием трубчатых модулей, являются наиболее важной переменной решения. Они обнаружили, что алгоритм NSGA-II-AJG наиболее быстрый по сравнению с другими алгоритмами с небольшими расчетными начинаниями. Йавей и др. предложили многоцелевую оптимизацию сетей обратного осмоса (RO) для опреснения морской воды. Были проведены анализ эксергии и экономический анализ [17]. Ли и др. анализируют удельный расход энергии в обратном осмосе [18]. Они обнаружили, что за счет увеличения числа ступеней и добавления устройства рекуперации энергии, нормированный удельный расход энергии (нормированная корма осмотического давления) будет снижена.
Традиционные источники энергии: обзор
Иранское правительство поощряет физических лиц и частные секторы для того, чтобы использовать / производить солнечные водонагреватели и фотоэлектрические системы преобразования энергии путем предоставления значительных субсидий. Благодаря этим мерам за последние годы во многих солнечных районах страны были установлены тысячи солнечных водонагревателей.
Программа, направленная на установку нескольких солнечных энергетических систем в Иране, доставит электроэнергию людям, проживающим в сельской местности по всей стране. В настоящее время, помимо тысяч небольших отдельных фотогальванических блоков постоянного тока, которые используются при строительстве дорог, магистралей, парков и коммуникаций, существует всего несколько фотоэлектрических установок выработки электроэнергии с общей установленной мощностью около 150 кВт. Кроме того, в г. Шираз установлена система по производству солнечной тепловой энергии мощностью 250 кВт [37]. Тем не менее, как бы ни были привлекательны подобные разрозненные достижения, но их не достаточно, и, конечно, они не должны считаться результатом целенаправленного стратегического национального энергетического плана.
Согласно данным недавнего опроса на 45 тематических сайтах, потенциальная мощность энергии ветра оценивается в 6500 МВт. В настоящее время мощность ветряных электростанций установленных в Иране приближается к 75 МВт, они расположены в основном в двух северных регионах, например, ветровые электростанции Манджил и Рудбар, их энергия ветра используется в местных сетях. Планируется повысить мощность ветровых электростанций до 90 Мвт, также в стадии рассмотрения находится проект установки другой ветровой электростанции мощностью 60 МВт [42]. В рамках разработки ветроэнергетических ресурсов готовится ветровой атлас. В настоящее время Иран является единственным производителем ветровых турбин на Ближнем Востоке.
В настоящее время в Иране функционируют 42 ГЭС с общей установленной мощностью 7672.5 мВт, а также несколько ГЭС с общей мощностью 6650 МВт находятся на стадии строительства. Среди рабочих установок, количество больших, средних, малых и мини / макро электростанций 6, 12, 12 и 12 соответственно. Крупные гидроэлектростанции с мощностью от 100 МВт составляют более 90% от нынешней установленной мощности. Кроме того, планируется построить прочие крупные и средние ГЭС с мощностью более 25000 Мвт. Ежегодное количество выработки электроэнергии на ГЭС зависит от количества падающей воды. Например, в 2007 году более 18 000 ГВт-ч электроэнергии подавалось в национальные сети, но в 2008 году этот показатель снизился на 72% из-за засухи [36] и [37]. Кроме выработки электроэнергии, хранение больших объемов воды за огромными плотинами помогает решить проблемы орошения во многих районах страны.
В течение последних лет (с 2000 года и по настоящее время) большое внимание было направлено на производство электроэнергии из геотермальных источников. Установка геотермальной электростанции Мешкиншахр (Meshkinshahr) с производственной мощностью 40 ГВт.ч, введенной в эксплуатацию в 2015 году, стала первым шагом. Авторы считают, что прямое использование термальных вод обеспечит ощутимый рост доходов в отдаленных районах, что будет дополнительной выгодой от их использования [43]. 2.4.5. Биогаз
В крупных городах Ирана, с населением более 250 тыс. человек теоретически можно получать 10 МВт энергии при переработке мусора / отходов. В настоящее время в городе Савех (Saveh), расположенном к юго-западу от Тегерана, работает пилотный проект подобного типа [37]. 2.5. Ядерная энергия В соответствии с нынешней политикой, метод диверсификации производства энергии с использованием различных источников неизбежен при планировании национальной энергетической политики, и атомные электростанции занимают в ней существенную долю. До исламской революции в Иране, суммарная мощность АЭС составляла 23,000 МВт, из которых атомная электростанция в Бушере производила 1000 МВт и была первой атомной электростанцией программы. Несмотря на все трудности, потребность в мирной ядерной энергии специально подчеркивается в каждом плане развития. С учетом экономического роста 8%, правительство намерено увеличить мощность АЭС до 20,000 МВт в ближайшие 30 лет [44].
Споры о том, стоит ли вкладывать значительные средства в термоядерный синтез в качестве будущего варианта получения энергии, велись в контексте рассмотрения стратегий развития энергетических технологий. Тем не менее, наблюдается растущий спрос на исследования потенциала термоядерного синтеза, поэтому можно сделать вывод, что подобные технологии могут быть реализованы [45]. Иран, вслед за Японией, странами Европы, США и Россией стал одной из первых стран Азии, которая начала исследования и разработки по получению энергии путем термоядерного синтеза. С 1980 года эти исследования проводятся на Факультете Физики Плазмы и Термоядерного Синтеза в Организации по атомной энергии Ирана. Деятельность этого факультета включает три группы: Магнитно-Термоядерный Синтез, Инерциальный Управляемый Термоядерный Синтез и Прикладная Физика Плазмы. Группы состоят из ученых, занимающихся передовыми достижениями в мире в области исследований и разработки (R&D) и в каждой соответствующей области. Исследование было начато с помощью тета-пинч машины и продолжено на небольших установках токамак “Алванд” (“Alvand”) и “Дамаванд” (“Damavand”), и на плазменном фокусе “Дена“ (“Dena“)
Электроэнергетический сектор Увеличение внутреннего спроса Ирана на электроэнергию порождает дефицит поставок энергии в периоды пикового спроса. Иран в последнее время повышает цены на электроэнергию в рамках реформы субсидирования энергетики, в надежде ограничить рост спроса. Природный газ является основным источником топлива для выработки электроэнергии в стране и составляет почти 70% от общего объема производства в 2012 году [36]. Рис. 2.3 отображает долю каждого типа электростанции в удовлетворении спроса на электроэнергию.
Математическая модель котла-утилизатора
Технологии опреснения которые используются в децентрализованной когенерации Одним из важных характеристик системы производства воды и электричества является технология опреснения воды. Самые популярные технологии в мире включают: технологию обратного осмоса (RO), дистилляцию мгновенным вскипанием (MSF) и многоколонную дистилляцию (MED). Поэтому в данной работе рассмотрены все три технологии. Одним из факторов, влияющих на издержки инвестиций и использование блоков опреснения воды, является их объем. С уменьшением объема производства увеличивается расход на инвестиции и затраты на использование. Но уровень данного увеличения в различных технологиях также различается.
Рис. 3.5 и 3.6 показывают изменение начальных инвестиций и расход на применение блока опреснения воды на основе мощности единицы. Данные рисунки представлены при помощи результатов исследования Wittholz [52] в университете Аделаиды (Австралия).
Необходимо отметить, что в исследовании Wittholz расход на начальные инвестиции в технологии обратного осмоса (RO) включает только расходы на опреснение воды. Но в тепловой технологии кроме расхода на опреснения воды учитывается и расход на источник тепловой энергии (утилизатор). Хотя в системе конфигурации тепловая энергия является бесплатной. Поэтому результаты исследования Wittholz используются только в сферах изменения и эластичности.
Как видно, начальные инвестиции в технологии обратного осмоса (RO) меньше, чем в тепловой технологии опреснении воды. Также в тепловой технологии MED требуется начальных инвестиций меньше, чем MSF. Очевидно, что разница начальных инвестиций при маленьких мощностях и децентрализованном производстве не имеет значения.
Рис. 3.6 показывает, что расход на применение значительно увеличивается с уменьшением мощности (в сравнении с децентрализованным производством). Эластичность данного увеличения равна в обеих технологиях (технология обратного осмоса (RO) и MED), но в MSF эластичность гораздо больше. Поэтому данная технология подходит для производства с большим объёмом.
На основе вышеперечисленных данных, можно сделать вывод, что в децентрализованном производстве применение технологий RO и MED доступнее по цене. Поэтому в технических и экономических разработках пригодится применение данных технологий. 3.3.2. Гибридная система опреснения
Гибридная система в этом исследовании относится к интеграции теплового опреснения (MED) с обратным осмосом (RO). Эти две технологии могут быть интегрированы, чтобы уменьшить общую стоимость производства воды и выработки электроэнергии. Гибридные конфигурации (мембрана/тепло/мощность/электроэнергия) характеризуются гибкостью в эксплуатации, небольшим удельным энергопотреблением, низкой стоимостью строительства, лёгкостью установки равновесным сочетанием производимых воды и электроэнергии. На рисунке 3.7 схематически показана диаграмма потоков гибридной системы. В работе газовых турбин (1), производящих электроэнергию используются разные виды топлива. Эта электроэнергия является основным условием для работы по методу обратного осмоса (4). Высокотемпературный газ, выходящий из газовых турбин, может применяться для генерации пара высокого или низкого давления. Полученный пар далее используется в котле-утилизаторе (2). Пар высокого давления предназначен для выработки электроэнергии. Кроме того он может быть дросселирован, когда необходимо получить пар низкого давления (5), который используется в тепловых опреснительных установках (3). Морская вода входит в тепловую опреснительную установку (3), в результате чего получается питьевая вода высокого качества (12), нагретая питательная вода в мембранную установку (8), нагретая солёная вода (7), которая использовалась в предварительном нагреве, а затем возвращалась в море и соляной раствор (13). В холодные сезоны, предварительно нагретая морская вода покидает последний этап процесса теплового опреснения и может использоваться в качестве питательной воды для обратного осмоса.
Также можно получить питьевую воду (11) из мембранной установки (4). Возможно рекуперация энергии (9) из мембранной установки. Интеграция обратного осмоса с тепловым опреснениям (14) предоставляет возможность смешения продукции двух процессов. Такое расположение позволяет управлять устройством обратного осмоса с относительно высокой общей минерализацией и, следовательно, снизить коэффициент замещения мембран.
Для разработки децентрализованного и конфигурационного производства, в первую очередь, надо определить технологию. В децентрализованных производствах с маленькими мощностями самыми популярными технологиями опреснения воды являются тепловая и мембранная технология, а именно многоколонная дистилляция (MED), и технология обратного осмоса (RO). Система когенерации пресной воды и электричества может использовать обе технологии совместно или отдельно (вне зависимости от вида генератора). Поэтому для каждого генератора можно предлагать три системы когенерации:
Расчет условий и критериев производительности для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения
Газовая турбина (ГТ) рассматривается как перспективный способ выработки электроэнергии. Было исследовано включение этих турбин в систему многократного действия для производства энергии и пресной воды путем опреснения, особенно в отношении синергии процессов выработки электроэнергии и опреснения воды. По сравнению с комбинированными циклами, основные преимущества газовой турбины следующие: высокая эффективность, высокая удельная мощность, снижение удельных инвестиционных затрат, снижение выбросов оксидов азота и улучшенная производительность при частичной нагрузке [53,54].
В некоторых засушливых областях много низкосортной тепловой энергии, температура которой обычно ниже 130 C. В этих областях необходимо запустить теплоопреснительные установки для получения пресной воды из соленой, поскольку затраты эксергии слишком высокие для обеспечения такой низкосортной тепловой энергии для опреснения воды путем сжигания топлива в котле. Комбинирование электростанции и опреснительные установки производят большое количество синергии между выработкой электроэнергии и производством воды. Комбинированные системы производства энергии и опреснения воды обычно называют системами двойного назначения [55-57]. Большинство систем двойного назначения, работающих в мире, сочетают паровые турбины и теплоопреснительные установки; но в последние годы, наблюдается явная заинтересованность в переходе к газовым турбинам или комбинированным циклическим системам [58,59] в связи с их повышенной установленной пропускной способностью.
Синергия одновременного производства энергии и воды дает значительную выгоду при производстве энергии, а также выгоду в сфере экономики и экологии. Например, использование многоэтапного испарения (MSF) с паротурбинной установкой сэкономило 44,4% при производстве воды, от 40 кВт.ч / м3 равноценной работы только для систем производства воды, и до 22,3 кВт.ч / м3 для систем производства энергии и воды [60], и снижение стоимости воды до 44,7 % от $ 2,66 / м3 до $ 1,47 / м3 [61]. Оценка жизненного цикла показала, что нагрузка теплоопреснительных технологий на окружающую среду была снижена примерно на 75% при работе в гибридной установке на основе комбинированного цикла [62].
Изучалось взаимодействие газовой турбины и опреснением [63], основанное на одновальной турбине мощностью 38.3 МВт, в которой 10 кг/с произведенного в котле-утилизаторе тепла отходящих газов (КУ) пара было введено в камеру сгорания, а остаток был использован для запуска двух паровых эжекторов, а затем двух опреснительных установок многоступенчатой дистилляции. Для дальнейшей утилизации тепла выхлопа вытяжной трубы использовался теплообменник прямого контакта газ-морская вода.
Целью данной работы является изучение энергии, эксергии и эффективности производства воды с помощью интегрированных систем производства энергии и воды, которые используют газовую турбину в качестве первичного двигателя. Чтобы изучить производительность и выбор параметров при производстве воды, была смоделирована и проанализирована теплоопреснительная установка, также была исследована комбинированная система, созданная на предприятии с газотурбинной установкой с впрыском пара.
Многоэтапное испарение (MSF), многоколонная дистилляция (MED), тепловое сжатие пара (TVC) и обратный осмос (RO) - четыре часто используемых процесса опреснения. Первые три из них связаны с выделением тепла, но используют работу насоса. Преимуществами теплового опреснения считаются низкая чувствительность к засолению и качество питающей воды, а также способность производить дистиллят гораздо более высокого качества, который также может быть использован для практического применения, когда требуется более чистая вода, чем питьевая. Например, для питания котлов [63]. RO использует только механическую работу. По сравнению с текущим коммерческим тепловым опреснением, RO гораздо более энергоэффективное, более компактное и более гибкое при проектировании и эксплуатации благодаря своей модульной структуре, а также обладает более простыми и быстрыми характеристиками пуска / отключения оборудования [57,60]. В последние годы процесс RO увеличил свою долю на рынке, но технология теплового опреснения все еще доминирует на рынке опреснения морской воды. При тепловом опреснении используется низкотемпературная теплота, поэтому данная технология подходит для комбинирования с выработкой электроэнергии или других промышленных процессов для улучшения общей эффективности использования энергии.
Опреснительные установки MED и METVC с наивысшей температурой раствора (TBT), ниже чем 70C, в последние годы привлекают к себе внимание [64]. По сравнению с широко используемой MSF, опреснение MED имеет ряд преимуществ, таких как низкий уровень коррозии и низкая скорость образования окалины, низкие капитальные издержки, длительный срок эксплуатации и низкое потребление энергии приводного двигателя [65]. Когда доступен пар среднего давления (около 3 бар или выше [60]), он может быть эффективно использован для захватывания и сжатия пара, образующегося в последней стадии на предприятии опреснения MED с использованием парового эжектора. По сравнению с автономным предприятием опреснения MED, подобная организация системы опреснения METVC потребляет меньшее количество охлаждающей воды, и, следовательно, меньше мощности приводного двигателя и снижает предварительные затраты [66-67].
Рисунок 4.1 схематически иллюстрирует четыре эффекта (И1-И4 с взаимодействующими ИЯ1-ИЯ4) теплового сжатия пара (TVC) с подогревателями морской воды (ПН1, ПН2, ПН3), которые являются сочетанием парового эжектора и традиционного опреснения многократного действия (MED).