autoref-opredelenie-effektivnosti-detander-generatornykh-agregatov-pri-ispolzovanii-vtorichnykh-ener

На правах рукописи
1
СОЛОВЬЕВ РОМАН ВАЛЕРЬЕВИЧ
^*
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ
АГРЕГАТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
РЕСУРСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва, 2010 год
0Ѳ46Ѳ282Ѳ
2
Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и
установок»
Московского
энергетического
института
(технического
университета)
Научный руководитель:
кандидат технических наук
Корягин Анатолий Викторович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Султангузин Ильдар Айдарович
кандидат технических наук, доцент
Гашо Евгений Геннадьевич
Ведущая организация:
ДОАО «Оргэнергогаз»
Защита диссертации состоится «27» мая 2010 года в 15 часов 30 минут в
аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при
Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу:
г. Москва, Красноказарменная ул., 17.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
энергетического института (технического университета).
Московского
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью
организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул.
Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).
Автореферат разослан: «23» апреля 2010 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., проф.
7i^t-^"0
С.К. Попов
3
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. В последние десятилетия все больше внимания
уделяется разработке мероприятий по повышению энергоэффективности
производства. Значительные возможности экономии энергетических ресурсов
имеются при их потреблении. Как известно, 70% общего потенциала
энергосбережения России располагают потребители энергии и только 30% производители.
Следует отметить усилия государственных органов, направленные на
решение вопросов энергосбережения. В 2009 году разработан и принят
федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении
энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные
законодательные акты Российской Федерации».
Современная энергетика и промышленность характеризуется возрастанием
потребления природного газа. По сценариям экспертов, мировая потребность в
газе к 2030 году возрастет по сравненшо с нынешним уровнем более чем в два
раза, а доля газа в производстве электроэнергии и тепла составит около 60%.
Одним из эффективных способов энергосбережения является
использование перепада давления дросселируемого на ГРС и ГРП газа для
выработки электроэнергии с помощью детандер-генераторного агрегата (ДГА).
Это направление определено как одно из приоритетных в программе создания
собственных источников электроснабжения ОАО «Газпром» от 20.10.2000 г.
Детандер-генераторный агрегат представляет собой устройство, в котором
энергия потока транспортируемого природного газа преобразуется сначала в
механическую энергию в детандере, а затем в электроэнергию в генераторе.
При этом природный газ используется в качестве рабочего тела (без его
сжигания).
Использование ДГА возможно, в частности, на ГРП (ГРС) промышленных
предприятий, которые являются достаточно крупными потребителями газа,
использующих газ на технологию при давлении 3-6 бар. На территории
предприятия может находиться электростанция или котельная, которые также
являются потребителями газа при давлении 1,5-2 бар. Начальное давление газа
на входе ГРС может составлять 55-75 бар. Таким образом, особенностью
потребления природного газа на предприятиях является широкий диапазон его
давлений.
Одной из основных систем, определяющих технико-экономические
показатели ДГА, является система подогрева газа. Ее тепловая мощность
эквивалентна, примерно, мощности детандера, а ее стоимость, по разным
оценкам, может составлять до 40% общей стоимости ДГА.
Вопрос выбора источника подогрева газа является одним из основных при
принятии решения о целесообразности использования этих агрегатов. Кроме
того, показатели системы подогрева газа существенно влияют на
эксплуатационные затраты ДГА и, как следствие, на себестоимость^
4
производимой ДГА электроэнергии. Поэтому выбор и оптимизация схемы
подогрева газа в ДГА является одной из приоритетных задач, решаемых при их
проектировании. Как известно, подогрев газа перед детандером, как правило,
осуществляется теплотой высокого потенциала, что снижает эффективность
работы ДГА. Одним из перспективных способов подогрева газа может быть
использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).
Использование ВЭР для подогрева газа перед ДГА, требует проведения
исследований как при решении технических, так и технико-экономических
вопросов.
На данный момент существуют схемы для подогрева газа перед
детандером на ТЭС с использованием уходящих газов, отборного пара и
прямой сетевой воды. Однако отсутствуют схемы ДГА, в которых
используются ВЭР. В то же время на промышленных предприятиях существует
немало источников ВЭР различного потенциала, причем температуры
некоторых из них недостаточно для подогрева газа в традиционной схеме ДГА.
Цель работы. Целью работы является разработка и исследование схем
детандер-генераторных агрегатов для промышленных предприятий с
использованием для подогрева газа вторичных энергетических ресурсов. Для
этого поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка схемы установки ДГА на ГРП (ГРС) промышленных
предприятий с использованием вторичных энергетических ресурсов для
подогрева газа.
2. Проведение
термодинамического
анализа
двухступенчатого
и
трехступенчатого подогрева газа в ДГА при разных отношениях давлений газа.
Определение оптимальных давлений промежуточных подогревов природного
газа.
3. Проведение промышленных испытаний детандер-генераторных агрегатов
на ТЭЦ для получения характеристик действующих ДГА. Анализ и обобщение
экспериментальных данных, построение характеристик работы ДГА по
собранным во время проведения промышленных испытаний данным.
4. Проведение исследований эффективности схем ДГА при двух и трех
ступенях подогрева газа.
5. Проведение сравнения предлагаемых схем подогрева газа перед ДГА с
существующими схемами подогрева по разным критериям эффективности.
6. Проведение экономической оценки предлагаемой установки подогрева газа
перед ДГА.
Научная новизна:
- разработана методология расчета эффективности применения детандергенераторных агрегатов на промышленных предприятиях с использованием для
подогрева газа вторичных энергетических ресурсов;
5
- разработан алгоритм расчета установки «ДГА-ТНУ» с подогревом газа с
использованием ВЭР промышленных предприятиях при различных условиях
эксплуатации;
- определено влияние условий работы установки «ДГА-ТНУ» на ее
эффективность;
- но результатам промышленного эксперимента получены обобщающие
аппроксимирующие зависимости основных параметров ДГА-5000;
- произведено сравнение эффективности предлагаемой схемы установки
«ДГА-ТНУ» с промежуточными подогревами с существующими схемами
подогрева с использованием отборов пара турбин разных параметров на
электростанциях;
- произведена технико-экономическая оценка эффективности предлагаемой
установки «ДГА-ТНУ» при разных температурах ВЭР.
Практическая ценность
Предложено схемное решение внедрения ДГА на промышленных
предприятиях с подогревом газа с использованием вторичных энергетических
ресурсов. Показано, что применение промежуточных подогревов газа позволяет
снизить требуемую температуру подогрева. Определены электрические
мощности ДГА, которые могут быть получены при внедрении установок на
станциях понижения давления газа промышленных предприятий при разных
условиях эксплуатации. Энергетический и эксергетический методы
исследования предлагаемой схемы установки «ДГА-ТНУ» показали, что она по
эффективности равнозначна, а при некоторых условиях эксплуатации лучше
существующих схем подогрева.
Выполненные исследования позволяют расчетным путем определять
термодинамическую эффективность включения ДГА в схемы промышленных
предприятий в различных условиях эксплуатации.
Полученные автором результаты используются в методике расчета ДГА,
разрабатываемой в настоящее время для ОАО «Газпром».
Достоверность и обоснованность результатов обусловлены тем, что в
основу работы положены обобщенные автором эксплуатационные данные и
характеристики работы ДГА, применяемых в РФ, полученные автором при
проведении испытаний действующего ДГА, применением современных
методов термодинамического и технико-экономического анализа и
использованием фактических эксплуатационных характеристик.
Автор защищает:
- схему установки ДГА с трехступенчатым подогревом газа вторичными
энергетическими ресурсами с использованием теплового насоса;
- результаты энергетической, эксергетической и технико-экономической
оценки эффективности предлагаемой схемы ДГА для промышленных
предприятий при разных условиях их эксплуатации.
6
Личный вклад автора заключается:
- в разработке защищенной патентом схемы установки ДГА с
промежуточными подогревами и в оценке влияния условий работы ТНУ на
эффективность применения ДГА;
- в термодинамическом анализе схем ДГА с применением промежуточных
подогревов с использованием ВЭР, получении формул для определения
оптимальных значений промежуточных давлений и температуры;
- в обобщении и анализе эксплуатационных данных и характеристик
действующих ДГА при проведении промышленных испытаний;
- в проведении энергетической, эксергетической и технико-экономической
оценки эффективности установки «ДГА-ТНУ» при различных условиях ее
эксплуатации.
Апробация и публикации. Результаты работы были представлены на
Научно-практической
конференции
«Энергои
ресурсосбережение.
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2007
г.); на Четвертой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и
специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2008 г.), на
Пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и
аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009
г.), на научной конференции в Институте округа Лаузитц, (г. Котбус, ФРГ,
2009 г.).
Основное содержание работы изложено в 7-ми публикациях, в том числе в
трех статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК, и описании патента на
полезігую модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, основных выводов и списка использованных источников.
Материал изложен на 167 страницах машинописного текста. Работа
содержит 53 рисунка, 39 таблиц и 2 приложения. Список использованных
источников состоит из 115 наименований.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы,
дается ее общая характеристика.
В первой главе на основе анализа научно-технической литературы дается
краткое описание возможных методов полезного использования избыточного
давления транспортируемого природного газа, приводятся типы таких
аппаратов, отличающихся по принципу действия, приводится описание
возможных способов подогрева газа в детандер-генераторных установках.
Показано, что вопрос выбора системы подогрева газа в ДГА и источника
теплоты является одним из важнейших. Приведено описание схем установок,
эксплуатируемых на ГРС и ГРП электростанций и газораспределительных
сетей, как в нашей стране, так и за рубежом. Рассматривается вопрос
7
целесообразности применения ДГА на промышленных предприятиях.
Показано, что в настоящий момент вопрос об использовании вторичных
энергетических ресурсов низкого потенциала для подогрева газа перед
детандером практически не изучен. Завершается первая глава определением
цели исследования и тех задач, которые должны быть решены для достижения
поставленной цели.
Во второй главе диссертационной работы приводятся возможные схемы
подключения детандер-генераторных агрегатов на ГРП (ГРС) промышленных
предприятий с потреблением природного газа на технологию и на собственную
электростанцию или котельную. Производится сравнение надежности
предлагаемых схем и капитальных затрат, необходимых для их реализации.
Для осуществления возможности использования греющего теплоносителя
с более низкой температурой предложена разработанная с участием автора и
защищенная патентом на полезную модель трехступенчатая схема подогрева
газа перед детандером, представленная на рисунке 1.
г т <ГРС>
L-EH-i11
гЗЗ-f
r©i"
н и Т Г л ТТ л
\
\
Рисунок 1 - Схема ДГА с трехступенчатым подогревом газа
1 - трубопровод высокого давления; 2, 7, 8 - теплообменники подогрева газа;
3, 9, 10 -детандеры; 4 - электрогенератор; 5 - ГРП (ГРС); 6 - трубопровод
низкого давления; 11 - соединительные трубопроводы.
Установка работает следующим образом. Природный газ с температурой
Тго из трубопровода высокого давления 1 перед газорегуляторным пунктом 5
поступает в теплообменник 2 и подогревается до температуры ТГ2 >ТГо, после
чего газ по трубопроводу 11 попадает в детандер 3. Далее газ аналогично
проходит еще две такие ступени с теплообменниками 7, 8 и детандерами 9, 10,
после чего поступает в трубопровод низкого давления 6. Механическая
мощность детандеров 3, 9, 10 преобразуется в электрогенераторе 4 в
электрическую мощность, отдаваемую в электрическую сеть.
На рисунке 2 представлен процесс работы такой установки в h-s
диаграмме, а также процесс при тех же начальных и конечных параметрах газа
в одноступенчатой установке.
8
Рисунок 2 - Процесс работы ДГА в h-s диаграмме при одноступенчатой и
тпехстѵпенчатой схемах подог^вз газя
Расчеты показали, что при трех ступенях требуемая температура подогрева
газа при существующих перепадах давлений снижается до 30-40 СС. На
промышленных предприятиях существует немало источников ВЭР с
достаточно высокой температурой, которые можно использовать напрямую для
подогрева газа перед детандером. Однако на предприятиях существуют
источники теплоты с температурой менее 30 °С. Для этого случая предлагается
схема ДГА с промежуточными подогревами совместно с теплонасосной
установкой, где конденсаторы ТНУ являются подогревателями газа.
Принципиальная схема ДГА с трехступенчатым подогревом газа при помощи
ТНУ предъявлена на рисунке 3.
г
гЛ1 .
..._3
£%
ш
13
-Ѳ
L_p&__J
Хладагент
Газопровод
Рисунок 3 - Схема установки «ДГА-ТНУ» с трехступенчатым подогревом газа
1 - дросселирующее устройство ГРП (ГРС); 2,3 - трубопроводы высокого и
низкого давлений соответственно; 4, 5, 6 - теплообменники для подогрева газа;
7, 8, 9 - детандеры; 10 - электрогенератор; 11 - дросселирующее устройство
ТНУ; 12 - испаритель ТНУ; 13 - компрессор ТНУ.
В схеме ДГА, представленной на рисунке 3, компрессор ТНУ 13 может
потреблять электроэнергию, выработанную генератором 10. Разница между
мощностью генератора и компрессора ТИУ составляет полезную мощность
установки «ДГА-ТНУ».
Проведена оценка мощности ДГА, достигаемой на газе, отбираемом на
технологию, при различных диапазонах значений расхода и отношений
давлений газа на существующих металлургических и химических заводах.
Результаты расчетов представлены на рисунках 4а и 46.
110
U0
15»
1?»
110
130
150
170
Расход г я м . тыс. куб. м
Гясход гяіа, тыс. куй. м
•»- 3S'* бар < - 42/6 йяр - * - 46*$бйр
- • - JS. 3 «яр -іг- 42<'3 бар - * - 44 і бар
а
б
Рисунок 4 - Зависимость мощности ДГА от расхода газа, отбираемого на
технологию, при возможных отношениях давлений газа
Как видно из рисунков 4а и 46, потенциал возможной электрической
мощности ДГА на газе, отбираемом на технологию предприятия, достаточно
велик и находится в диапазоне от 4,7 до 14,5 МВт.
Для обеспечения максимальной мощности ДГА необходимо чтобы
значения промежуточных давлений бьши оптимальные. Для определения этих
давлений и температур промежуточных подогревов газа были получены
расчетные формулы.
Для двухступенчатого подогрева газа:
к
2(к-1)
ѵ"" =
Рх-Рі
''•* ПР ' Won
' •Т •w
'1
L
\
(1)
'іОП
где рѵрѵр°пр~ давления газа на входе и выходе турбодетандера и оптимальное
промежуточное давление, бар; Г,, Тп?- температура газа перед первым и
вторым отсеками детандера, К; сдр - коэффициент дросселирования газа;
rjm, rhn - внутренние относительные КПД цилиндров детандера; z,,z2коэффициенты сжимаемости природного газа для каждой ступени,
к - показатель адиабаты газа.
* ПР ~ V
2 ' Л '
где Т2 - температура газа на выходе из ДГА.
Для трехступенчатого подогрева газа:
(2)
10
•По
РПР\
г
\ ѵѴѵа
з ' *ПР2 ' ЧОП
4*2'
^ДР\
•Рі -Рг
Чоіг J
(3)
^ДП
Z
•Поп
2 ' * ПРІ * ?0/2.
(
V Z 2 ' *ПР1 ' ^ОП J
Z
•Р-Рі
l '•'1 ' '/о/ 1
/
(4)
промежуточные давления подогрева природного газа в
где рдетандере, бар; Тпп, ТПР2- температура газа перед вторым и третьим
цилиндрами детандера, "С.
' ПРІ ~ * ЛР2 ~'j*
I 'J 2
К^)
Расчеты показали, что мощность ДГА при давлениях и температурах,
полученных по формулам (1-5), является максимальной.
В третьей главе представлены результаты промышленных испытаний
действующих детандер-гекераторных агрегатов на ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго»
электрической мощностью по 5000 кВт каждый.
Целью испытаний являлось:
1. Получение технических характеристик работы детандер-генераторных
агрегатов при их разных нагрузках для использования этих данных при
дальнейших исследованиях.
2. Проверка возможности использования программы «Расчет ДГА» для
дальнейших исследований.
При проведении испытаний измерялись активная мощность генератора,
давления и температуры газа до и после детандера, расход газа. На рисунках 5 и
6 показаны зависимости активной мощности ДГА от объемного расхода газа и
от тепловой нагрузки подогревателя природного газа (ППГ).
ДГА-2
!
*>
>
^*
t
—
1 ^*
4
\
*
г >z:
s\
-ѵ
i...
/
110
:
120
130
140
ISO
160
Расход г а м н а турбину объемный, тыс. куб. нм/ч
Рисунок 5 -Зависимость электрической мощности турбодетандеров от
объемного расхода газа з ДГА-2
11
ДГА-2
1
а ..
!
"+
в?
я
кѵ
5
/
а -*-5
•
! *
1
й
0 3Ч
S 3
I
я
.^^*
•/
"
*У^^
1
•К" ,
•
1 2,5
3,5
4
4,5
5
5,5
6
Тепловая нагрузка ППГ по газу, МВт
гисунок о - оаянсимосій элекірйческий мощносіи ДГА-2 от тепловой нагрузки
подогревателя газа
Результаты обработки полученных зависимостей мощности ДГА от
объемного расхода газа и тепловой нагрузки в ППГ в серии эксперимента с
ДГА-2 представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты обработки полученных характеристик работы ДГА
Величина
Среднее
Уравнение зависимости
достоверности
квадратичное
аппроксимащш R2
отклонение, МВт
N3 = 0,050 • Gr - ЗД00
0,990
0,142
ІѴ Э = 1 , 0 7 3 - « 2 ^ - 1 , 0 9 1
0,920
0,258
Зависимости внутренних относительных КПД турбодетандеров №№ 1,2 от
электрической мощности изображены на рисунке 7. Из рисунка видно, что
внутренний относительный КПД ДГА-2 при гарантированной нагрузке 5 МВт
составляет 81%, что на 4% меньше заводского расчетного значения, но выше
гарантированного по паспорту поставки изделия 75%. КПД ДГА-1 существенно
понижен, что связано с дефектом проточной части. Экспериментальный КПД
ДГА-2 также близок к данным испытаний ДГА-5000 на ТЭЦ-21, который
находится в зоне разброса точек.
12
1.0
.ЛоІ
0,9
_• —
О
0,8
О
л
*
0,7
*
т~
™* "
*,
ІГА-2 •
* , ѵг
О
О
"•"
и,
1 - 7 ""•"
< •
у
0,6
™*
— ""
1'
JДГА-1
-
0,5
0
1
2
05о5наченіис _ . _ . _ . ,
_____
______
• ДГА-1
ОДГА-2
3
4
N,,MBT
ікпытаыікДГА-БОООяаТЭЦІІ, 1994г.
«аводасо» расчетное яіачені» КПД
КГД по мспернмагтапьным данным
Рисунок 7 - Внутренний относительный КПД турбодетандеров в зависимости
от активной мощности генератора
Уравнение зависимости внутреннего относительного КПД ДГА-2 от его
мощности в диапазоне 0,857<іѴ<5,274 МВт, полученное в результате обработки
экспериментальных данных, имеет вид:
jj e , = -0,004 • Л?/ + 0.049 • N, + 0,680.
(6)
Сравнение результатов расчетов по программе «Расчет ДГА» с
экспериментальными данными показало, что программа обеспечивает
требуемую точность расчета. Погрешность измерения мощности ДГА
составила около 57,25 кВт:
ІѴ=5000±57,25 кВт
Полученное расчетное значение мощности ДГА равное 4960 кВт (при
параметрах газа на номинальном режиме) находится в пределах погрешности
менее 1%, таким образом, программа «Расчет ДГА» является пригодной для
вычислений параметров ДГА в рассмотренных условиях.
В четвертой главе приведены результаты термодинамического
исследования эффективности использования ДГА с подогревом газа при
помощи ТНУ, схема установки показана на рисунке 3. При исследовании
эффективности работы ДГА использованы данные испытаний с ТЭЦ-23 ОАО
«Мосэнерго», приведенные в третьей главе. Принимались данные по ДГА
мощностью 5000 кВт при номинальном режиме его работы: расход газа
принимался равным 159480 нм3/ч, КПД детандера - 0,81. В качестве рабочего
тела ТНУ принят аммиак. Рассматривались температуры ВЭР 10 и 30 °С.
13
Рассмотрены разные отношения давлений газа, близкие к тем, которые
могут встречаться на газораспределительных станциях и газорегуляторных
пунктах промышленных предприятий. При проведении расчетов были приняты
следующие условия: во-первых, температура подогрева газа во всех ступенях
одинакова; во-вторых, температуры газа на входе в подогреватель и выходе из
последней ступени детандера равны О °С. Результаты исследований приведены
на рисунках 8, 9 и 10.
Отношение давлений г;«а до п после ДГА
ТЕЭр=10 *С
Т Ю І = 3 0 *С
Рисунок 8 - Зависимость мощности установки от отношения давлений газа на
входе и выходе ДГА без использования промежуточных подогревов
Из рисунка 8 видно, что при одинаковых отношениях давлений газа
наибольшая мощность установки достигается при низких начальных давлениях.
В качестве единицы измерения давления газа использовался бар. Наиболее
эффективным отношением давлений при Твэр=10 °С является отношение 10/2,
менее эффективным - 72/12. Это связано с тем, что при больших перепадах
давления газа требуется повышение температуры подогрева, что увеличивает
затраты энергии на привод компрессора ТНУ. Следует заметить, что при
увеличении температуры низкопотенциальной теплоты в схемах подогрева газа
с высоким начальным давлением увеличение мощности установки существенно
выше, чем в схемах с низкими начальными давлениями. Так при Тюр=30 °С
наиболее эффективным отношением давлений становится отношение 12/2.
14
4
5
6
Отношение давлений гаіа до и поел* ДГА
- - - Твэ^Ю "С
Твзр^Ю "С
Рисунок 9 - Зависимость мощности установки от отношения начального и
конечного давлений газа в схеме ДГА с двумя ступенями подогрева
5,6 г -
8 Аsa­
il
| І
Pf-2 «ар,
£ g 4»*і~ІР?бТар""
15
! Pj=12 бар-
11» «i
3,6'--
4
5
6
Отношение давлении гаіа до и после ДГА
- " " Твэі<=10 *С
Твэі^ЗО *С
Рисунок 10 - Зависимость мощности установки от отношения начального и
конечного давлений газа в схеме ДГА с тремя ступенями подогрева
Из рисунков 9 и 10 видно, что наибольшая мощность установки «ДГАТНУ» достигается при отношении давлений газа 12/2, а наименьшая при
отношении давлений 48/12.
Проведены исследования влияния потерь давления газа в теплообменниках
на мощность установки «ДГА-ТНУ». Эти расчеты показали, что схема
подогрева газа с двумя ступенями с потерями давления менее 1% имеет
одинаковую эффективность со схемой подогрева с тремя ступенями с потерями
давления более 5%. Следует также отметить, что при потерях давления газа,
15
равных 10 %, схема подогрева газа с двумя ступенями по эффективности
одинакова со схемой подогрева с тремя ступенями. Поэтому использовать
теплообменник с большими гидравлическими сопротивлениями недопустимо,
поскольку в противном случае усложнение конструкции может не привести к
желаемому результату.
На примере фреона R11 показано, что неудачный выбор хладагента может
привести к преобладанию мощности ТНУ, требуемой для подогрева газа, над
мощностью ДГА.
Проведено сравнение предложенной схемы подогрева газа с
использованием ТНУ с существующими
схемами подогрева на
электростанциях ТЭЦ-21, ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» и Рязанской ГРЭС по
полезной мощности ДГА. Результаты представлены на рисунках 11а и 116.
5,5:-
S Я 4,1і-
Г
п*4л—г.-:
7І
81
в*
10
15
20
25
30
Температур» ПЭР, °С
" ТЭЦ-21
- - - 1 ступень подогрева
- ТЭЦ-23
- - 2 ступени подогрева
• Рямнска* ГРЭС
3 ступени подогрева
щ-
25
15
20
30
Температура ВЭР, "С
I
-ТЭЦ-21
- - - 1 ступень подогрева і
- ТЭЦ-23
— 2 ступени подогрева |
• Раіянская ГРЭС
3 ступени подогрева і
10
а
б
Рисунок 11 - Зависимость мощности установки от температуры ВЭР
при разных схемах подогрева газа при отношении
давлений 8/2 (11а) и 10/2 (116)
Из рисунков 11а и 116 видно, что схемы ДГА с использованием
промежуточных подогревов эффективнее схем ДГА на ТЭЦ-23 и Рязанской
ГРЭС. Следует также отметить, что схема ДГА с тремя ступенями подогрева
газа наиболее эффективна среди рассматриваемых способов подогревов, кроме
схемы с отбором пара на ТЭЦ-21 при температуре ВЭР выше 17 °С для
отношения давлений 8/2 и выше 23 °С для отношения давлений 10/2.
В пятой главе производился эксергетический анализ работы ДГА с
предлагаемыми схемами подогрева газа с применением ТНУ и существующими
схемами на ТЭЦ-21, ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» и Рязанской ГРЭС. На
рисунках 12 и 13 представлены расчетные схемы ТЭС с ДГА для определения
эксергетіиеского КПД при подогреве газа отбором пара из турбины и при
помощи ТНУ.
16
Рисунок 12 - Схема ТЭС с ДГА при подогреве газа отбором пара из турбины
1 - природный газ, вход; 2 - воздух, вход; 3 - циркуляционная вода, вход;
4 - сетевая вода, вход; 5 - электроэнергия от ДГА, выход; 6 - уходящие газы,
выход; 7 - электроэнергия от ТЭЦ, выход; 8 - циркуляционная вода, выход;
9 - сетевая вода, выход.
Рисунок 13 - Схема ТЭС с ДГА при подогреве газа с использованием ТНУ
1 - природный газ, вход; 2 - воздух, вход; 3 - электроэнергия на ТНУ;
4 - циркуляционная вода, вход; 5 - сетевая вода, вход; 6 - электроэнергия от
ДГА, выход; 7 - уходящие газы, выход; 8 - электроэнергия от ТЭЦ, выход;
9 - циркуляционная вода, выход; 10- сетевая вода, выход.
17
Эксергетический КПД схем ТЭС с ДГА при подогреве газа с
использованием отборов пара турбин рассчитывался из уравнения:
^к
=
/с
_Р*
(7)
у
где і„ а і г з состоит из электрической мощности турбины электростанции и ДГА,
а также тепловой мощности для электростанций теплофикационного типа; Еа эксергия потока вещества на входе в систему; Е^ш - эксергия потока вещества
на выходе из системы, не включающая в себя полезную работу L„MS3.
Эксергетический КПД схем ТЭС с ДГА при подогреве газа с
использованием ТНУ рассчитывался из уравнения:
_
Ѵэкс =
^j.ar+(%j--V3.7jHJ
(8)
<&г-3та>
где i¥^.a - мощность ді А, кат; /ѵтиу - мощность i n / , кат.
Результаты расчетов эксергетического КПД при рассматриваемых схемах
подогрева представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты расчетов эксергетического КПД при разных способах
подогрева
Эксергетический КПД, %
Схема с ТНУ
Электростанция
Схема с
1 ступень
2 ступени
3 ступени
отбором пара
подогрева
подогрева
подогрева
48,41
ТЭЦ-21
48,50
48,53
48,55
ТЭЦ-23
48,52
48,41
48,50
48,53
Рязанская ГРЭС
40,90
40,88
40,92
40,94
Как видно из таблицы 2, предлагаемые схемы подогрева газа с
промежуточными подогревами одинаково эффективны (с тремя ступенями
даже эффективнее)
с существующими
на
электростанциях
как
теплофикационного, так и конденсационного типов с использованием отборов
пара турбин.
Произведена оценка технико-экономической эффективности применения
ДГА на электростанциях при разных схемах подогрева газа. В качестве базовых
критериев оценки эффективности использовались:
• Чистый дисконтированный доход (ЧДД).
• Внутренняя норма доходности (ВИД).
• Срок окупаемости (Ток).
Установка «ДГА-ТНУ» рассматривалась при температурах ВЭР 10, 20 и
30°С. Исследования
проводились для установки «ДГА-ТНУ» с
трехступенчатым промежуточным подогревом газа при следующих исходных
18
данных: начальное давление газа перед ДГА Р:=Ѣ бар, давление после ДГА
Р2=2 бара, расход газа Ge=l 59480 нм3/ч, КПД детандера nof=0,81.
Зависимость ЧДД от продолжительности проекта при всех
рассматриваемых схемах работы ДГА представлена на рисунке 14.
Годы
-Твэр=10 °С
•Тв;р=20»С
-*-Tmp=30 o C
-СіемэбиТНУ
Рисунок 14 - Зависимость ЧДД от продолжительности проекта при
рассматриваемых схемах работы ДГА
В результате исследований получены значения срока окупаемости,
внутренней нормы доходности и индекса доходности. Результаты расчетов
приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты расчетов срока окупаемости, внутренней нормы
доходности (ВНД) и индекса доходности при рассматриваемых схемах
подогрева газа
Схема подогрева
газа
С ТНУ при
ТВЭР=10°С
С ТНУ при
ТВЭР=20°С
С ТНУ при
ТВЭР=30°С
Срок
окупаемости
ВНД, %
Индекс
доходности
5 лет 7 мес.
18,2
17,88
5 лет 2 мес.
20,4
20,77
4 года 9 мес.
22,4
23,55
30,9
36,9
3 года 6 мес.
Из рисунка 14 и таблицы 3 видно, что увеличение температуры ВЭР на
10 СС приводит к уменьшению срока окупаемости на полгода. Установка ТНУ
для подогрева газа увеличивает срок окупаемости более чем на два года
(в зависимости от температуры ВЭР).
Без ТНУ
19
Выводы
1. Разработана и исследована защищенная патентом схема
бестопливного детандер-генераторного агрегата (ДГА) с трехступенчатым
детандером, позволяющая использовать для производства электроэнергии
вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) промышленных предприятий.
Использование промежуточных подогревов газа снижает перепад
температуры на детандере примерно в два раза (для двухступенчатого
подогрева) и в три раза (для трехступенчатого подогрева), что позволяет
уменьшить требуемую температуру подогрева.
2. Разработана и исследована схема ДГА с промежуточными
подогревами газа для низких температур ВЭР с применением теплонасосной
установки (ТНУ).
3. Для схем ДГА с промежуточными подогревами газа определены
оптимальные давления и температуры газа для двух и трех ступеней
подогрева. Получены аналитические выражения для их расчета.
4. Проведены промышленные испытания действующих ДГА, по
результатам которых получены зависимости, позволяющие рассчитать
мощность ДГА при различных расходах газа и тепловых нагрузках
подогревателя газа, а также внутреннего относительного КПД детандера при
различных мощностях ДГА.
5. Показано, что при одинаковых отношениях давлений газа на входе
и выходе детандера полезная мощность установки оказывается больше при
низких начальных давлениях. Так, при отношении давлений 72/12 при
прочих равных условиях полезная мощность установки меньше в 1,1 раза,
чем при отношении давлений 12/2.
6. Проведенные расчеты показали, что один процент потери давления
газа в теплообменнике приводит к снижению мощности ДГА на 0,6%.
7. Сравнение предлагаемой схемы установки «ДГА-ТНУ» с тремя
ступенями подогрева газа с существующими схемами подогрева на ТЭЦ-21,
ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго», а также на Рязанской ГРЭС, по полезной
мощности показало ее преимущество при температуре ВЭР выше 17 °С для
отношения давлений 8/2 и выше 23 °С для отношения давлений 10/2.
8. Проведенные расчеты показали, что срок окупаемости установки
«ДГА-ТНУ» с трехступенчатым подогревом газа (для условий Москвы)
находится в диапазоне 4-6 лет в зависимости от температуры ВЭР. Таким
образом, предлагаемая установка «ДГА-ТНУ» с использованием ВЭР для
подогрева газа может рекомендоваться для реализации на промышленных
предприятиях.
Основное
публикациях:
содержание
диссертации
изложено
в
следующих
1. Соловьев Р.В. Сравнение эффективности работы детандергенераторных агрегатов при разных способах подогрева газа //
Энергосбережение и водоподготовка. - 2009. - № 6. - С. 54-56.
2. Корягин А.В., Соловьев Р.В. Детандер-генераторный агрегат с
двумя промподогревами газа // Известия вузов. Проблемы энергетики,2009.-№1-2.-С. 47-52.
3. Корягин А.В., Соловьев Р.В. Установка детандер-генераторных
агрегатов на ТЭЦ промышленных предприятий // Энергосбережение и
водоподготовка. - 2009. - X» 5. - С. 34-36.
4. Патент на полезную модель №85614 РФ, (51) МПК F25B 11/02
F01K 27/00. Детандер-генераторный агрегат с двухступенчатым
промежуточным подогревом газа / Корягин А.В., Соловьев Р.В. (РФ). - 3 с :
ил.
5. Корягин А.В., Соловьев Р.В. Теплоснабжение за счет вторичных
энергоресурсов с использованием бестопливной установки // Энерго- и
ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии:
Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научнопрактической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых
ученых. 17-21 декабря 2007 г. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007.
С. 205-207.
6. Корягин А.В., Соловьев Р.В. Сравнение схем подогрева газа с
помощью ТНУ // Тр. Четвертой международной школы-семинара молодых
ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» - М.:
Издательский дом МЭИ, 2008. С. 277-279.
7. Корягин А.В., Соловьев Р.В. Использование ВЭР для подогрева
газа в детандер-генераторных технологиях // Пятнадцатая международная
научно-техническая
конференция
студентов
и
аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - М.: Издательский дом
МЭИ, 2009. С. 430-431.
Подписано в печать 9,ОН-кОЮъш.
Полиграфический центр МЭИ (ТУ)
Красноказарменная ул., д.13
6$
Тщ.ЮО
П.л.
іМ