автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Эффективность применения абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин в автономной энергосберегающей системе тригенерации

005005230

Славин Роман Борисович

Эффективность применения абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин в автономной энергосберегающей системе тригенерации

Специальность 05.04.03. - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

005005230

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, JI.B. Галимова

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Пеньков М.М

кандидат технических наук, Миневцев P.M.

Ведущая организация - Государственное предприятие Астраханской области «Астраханский Региональный Центр Энергосбережения»

Защита состоится £ 2011 года в_ Л/ часов на заседании

диссертационного Совета Д.212.234.01 при Санкт- Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу 191002, Санкт- Петербург, ул. Ломоносова, д.9, СПбГУНиПТ, тел/факс (812) 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ¿У МЛ^/ 2011года.

Учёный секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

В. А.Рыков

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Низкопотенциальная энергетика, являясь актуальным направлением холодильной техники, вносит свой вклад в решение мировой проблемы энергосбережения. Анализ выполненных ранее работ показал, что в определённых условиях абсорбционные преобразователи теплоты (АБГГГ) различных схем могут быть использованы для создания энергосберегающих систем. Особая роль в применении новых энергосберегающих технологий на базе АБПТ принадлежит предприятиям энергетики и теплоснабжения. Применение АБПТ, использующих в качестве внешней энергии тепловые сбросы объектов энергоснабжения, позволяет повысить степень термодинамического совершенства систем преобразования энергии.

В настоящее время известны отечественные и зарубежные автономные схемы тригенерации на базе эффективных энергетических установок и абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин (АБХМ), основанные на современном промышленно выпускаемом оборудовании! однако комплексного исследования эффективности, оценки максимальных термодинамических возможностей систем для различных режимов работы не проводилось. Основными положительными качествами отечественных схем являются более полное использование энергии сжигаемого газа и лучшие экологические характеристики.

Поэтому к числу актуальных научных проблем, подлежащих решению в области низкопотенциальной энергетики и энергосбережения, относятся: исследование характеристик АБХМ, работающей на сбросном тепле энергетической установки, для условий предполагаемого использования; разработка метода и оценка степени термодинамического совершенства системы преобразования энергии топлива и тепловых сбросов парогазовой установки (ПГУ); расчёт показателей эффективности инвестиций в создание энергосберегающей системы, основанной на отечественном оборудовании.

Цель и задачи исследования. Целью проводимых исследований является комплексный анализ эффективности применения АБХМ нового поколения в автономных системах тригенерации.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Изучение современного состояния вопроса об эффективности использования АБХМ в автономных энергосберегающих системах по производству электроэнергии, тепла и холода;

2. Создание алгоритмов и программного обеспечения, используемого при постановке численного эксперимента по определению энергетических, термодинамических и экономических показателей работы системы и обработке полученной информации;

3. Анализ результатов исследования системы тригенерации при изменении внешних и внутренних параметров её работы, определение направлений снижения эксергетических потерь.

Научная новизна Получены аппрроксимационные зависимости

определения термодинамических свойств двуокиси углерода, воды, водного раствора бромистого лития для условий работы систем тригенерации.

Разработано программное обеспечение для определения энергетических характеристик, показателей термодинамической и экономической эффективности процесса получения холода для АБХМ, работающей на сбросном тепле ПГУ. Получено «Свидетельство о государственной регистрации программы для расчёта энергосберегающей системы».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Эксерго- экономический метод анализа эффективности применения АБХМ в составе энергосберегающей системы.

2. Модель, комплексная программа, численный эксперимент для определения основных энергетических, термодинамических, экономических характеристик АБХМ, ПГУ и системы в целом.

3. Относительные характеристики, отражающие связи между АБХМ и ПГУ, работающими в составе энергосберегающей системы. Коэффициент эффективности применения АБХМ в автономной системе тригенерации.

Практическая ценность. Разработанная методика и программное обеспечение позволяют обоснованно рассчитать, подобрать элементы и определить эффективность энергосберегающей системы в соответствии с требованиями заказчика. Полученная на основании моделирования автономной энергосберегающей системы с применением АБХМ комплексная программа используется в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 141200.62 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийском смотре - конкурсе научно -технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика -2007», Новочеркасск, ноябрь 2007г.; III Международной научно-технической конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, ноябрь 2007г.; XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, Казань, 2007г; IV Международной конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке", Санкт- Петербург, ноябрь 2009г; Международной научно - практической конференции «Повышение безопасности энергетических комплексов, эффективности охраны труда и экологичности технологических процессов», Астрахань, 2010г.; Научно - практических конференциях преподавателей и сотрудников Астраханского государственного технического университета, апрель 2008,2009,2010, 2011гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных трудах, в том числе одна статья в журнале по списку, рекомендованному ВАК, получено «Свидетельство о государственной регистрации программы для расчёта энергосберегающей системы», Патент Российской Федерации на полезную модель « Конденсатор энергосберегающей системы».

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений и содержит 91 страницу основного машинописного текста, 30 рисунков, 3 таблицы, 35 страниц приложений. Список использованной литературы включает 100 наименований работ, из них 85 российских и 15 иностранных.

Краткое содержание работы

Проблемой эффективного применения холодильных машин различных типов в низкопотенциальной энергетике занимались и занимаются в настоящее время отечественные и зарубежные учёные А.М. Архаров, В.М. Бродянский, B.C. Мартыновский, Б.А. Минкус, И.М. Калнинь, A.M. Андрющенко, И.Л. Лейтес, Л.С. Тимофеевский, A.B. Попов, Т.В. Морозюк, Л.И. Морозюк, А.К. Ильин, Л.В. Галимова, учёные Франции, Германии, США.

Объект и методы исследования

Объектом исследования была АБХМ для выработки холода с водяным обогревом и одноступенчатой схемой регенерации раствора с использованием сбросной теплоты парогазовой установки (рис. 1).

Чзгцхнее ¡аНоснйкение

ой. вода потребитель

Рис.1. Система для комплексной выработки электроэнергии, тепла и холода на базе ПГУ и АБХМ нового поколения: I - воздушный компрессор; II - камера сгорания газа ; III - газовая турбина; IV - котёл-утилизатор; V - паровая турбина; VI -конденсатор; VII-теплообменник; VIII - абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина; 1...28-точки состояния потоков

Энергосберегающий эффект обеспечивается абсорбционной бромистолитиевой холодильной машиной с применением для обогрева генератора АБХМ элемента конденсатор-теплофикационный теплообменник, защищенного Патентом РФ № 92095 от 10 марта 2010г. В

конденсаторе и теплофикационном пароводяном теплообменнике происходит конденсация пара, идущего из паровой турбины за счёт обратной воды, поступающей из системы теплоснабжения. Благодаря полезному использованию теплоты конденсации поток обратной воды достигает температуры, необходимой для обогрева генератора АБХМ. Холодная вода, которую вырабатывает АБХМ, может быть применена в системе кондиционирования воздуха и для улучшения условий работы воздушного компрессора ПГУ.

При проведении исследования совместной работы ПГУ и АБХМ в составе энергосберегающей системы были проанализированы научные труды по исследованию и расчётам парогазовых установок учёных Московского энергетического института (технический университет)(Соколов Е.В.,Мартынов В.А) и др. и результаты исследований и испытаний абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин нового поколения, проведённых на кафедре холодильных машин и низкопотенциальной энергетики СПбГУНиПТ и ООО «ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ» г. Новосибирск. Основные технические характеристики промышленных парогазовых установок и АБХМ использованы в дальнейшем при разработке алгоритмов и программного обеспечения.

Использование эксергетического метода анализа позволило решить две задачи: определить максимальные термодинамические возможности и рассчитать потери эксергии вследствие необратимости процессов для различных условий работы; обосновать направления по сокращению этих потерь на основе моделирования системы. Особенность разработанной модели заключается в том, что она позволяет, в отличие от проведённой ранее оценки термодинамической эффективности действительных циклов абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (Л.С.Тимофеевский, А.А.Дзино, В.Ф.Рожко, Ю.А.Вольных), учитывать связь АБХМ и ПГУ, работающих в едином комплексе и оценивать их взаимное влияние.

Разработанная модель и комплексная программа позволяют определить основные энергетические, термодинамические и экономические характеристики элементов и системы тригенерации в целом с учётом различных видов и сочетаний влияющих факторов и количественно оценить степень термодинамического совершенства процессов. Суть модели заключается в следующем:

Электрическая мощность ПГУ, МВт,

Nnry = (Nr • эпгу) / эгх., где Nr- электрическая мощность газовой турбины; Эпгу - удельная выработка электрической энергии в теплофикационной ПГУ на единицу тепла, отведенного на теплоснабжение от паровой турбины;

Эгх - удельная выработка электрической энергии в газовой турбине на единицу тепла, отведенного на теплоснабжение от паровой турбины. Удельная эксергия подведённого топлива, кДж/м , еЧ=Р = Чпрод.сгор. ■(Тз-ТО/Тз,

где сьродхгор, кДж/м3 - удельная теплота сгорания метана; Т3, К - температура газа на входе в газовую турбину; Ть К - температура окружающей среды.

Суммарные относительные эксергетические потери в элементах ПГУ определяли по значениям эксергетических КПД происходящих в них процессов теплопередачи, сжатия и расширения.

При этом величина каждой потери определялась как удельная, отнесённая к эксергии подведённого топлива, %,

XDnry = Dr.T. + Dn.T. + Dt/o + Бконд + DK.y.. + 0д.г. +Дегор.вс.., где Dr.T. - потери эксергии в газовой турбине; Dn.T. - потери эксерги в паровой турбине;

Dt/o, Оконд - потери эксергии в теплофикационном теплообменнике и конденсаторе ПГУ соответственно;

DK.y..- потери эксергии в котле-утилизаторе;

Од.г. - потери эксергии с дымовыми газами;

Дегор.вс. - эксергия потока тепла системы теплоснабжения.

Удельная остаточная эксергия, подведённая к генератору АБХМ,%,

е?еТ= eqT" ХРпгу - (ег.т + еп.т.), где eqx=100+екм - относительное значение эксергии, подведённой к

ПГУ, с учётом работы компрессора;

(ег.т + еп.т.) - суммарная выработка электроэнергии газовой и паровой турбинами на единицу отведённого тепла.

Тепловая нагрузка на генератор АБХМ, кВт,

Qh = ту Qt,

где т)т - коэффициент, учитывающий потери при передаче тепла из одной системы в другую;

QT - тепловой отбор из паротурбинного цикла. Холодопроизводительность, Q0,kBt, и тепловой коэффициент £ определяли в результате поверочного расчёта АБХМ с учётом результатов испытаний.

Суммарные потери в основных элементах АБХМ с точки зрения их распределения рассматривали как внутренние и внешние. При этом величина каждой потери определялась как удельная, отнесённая к остаточной эксергии, подведённой к генератору АБХМ, %,

1РаБХМ= DreH + Оконд + Da6c + D„cn,

где DreH , 0К0НД, Da6c, D„cn - потери эксергии в генераторе, конденсаторе, абсорбере, испарителе соответственно.

Удельная эксергетическая холодопроизводительность и

эксергетический КПД АБХМ, %,

ПАЬХМ = ечо = ereii?' ~ IPaexm 'Кн/у , где к„/у - коэффициент неучтённых потерь.

Коэффициент эффективности применения АБХМ в составе энергосберегающей системы тригенерации, %,

(т1абхм/ЛПГУ)-Ю0,

где Ппгу = ег.т + еп.т. +Дегор.вс.

Для реализации программы определены зависимости термодинамических свойств двуокиси углерода, воды, водного раствора бромистого лития в интервале изменения параметров, соответствующем работе энергосберегающей системы. Ниже приведен вид основных зависимостей (уравнений):

(1-6) = А*р2*1+ В«Ч3 + СП2 + Б*1 + Е*рП + Б*рП2 + О + Н*р + 1*р2 + 1*р3;

(7) ад = А + + С* 1к2 + БПк3 + Е* 1к4;

(8) = (А + В%)/(1 + С* 1<, + О* 1о2);

(9) = А + В* рк + С* Рк2 + Б* рк3 + Е* рк4;

(10) !(р) = 65 - ((А + В*р)/(1 + С*р + Б*р2))*5 .

Коэффициенты уравнений

Таблица 1

А В С О Е р О н I }

7 О & г* О + \ Ъ 1> О "к * 00 г- р о £ о 8.

ЧГ г^Г Зо Э (Ч ' '

2- V ч® * «1. Ь « ь ■* ГО V * «о гТ •р © •к « § п. ? ш в ъ % ?

% * п «ц о * 9 * Ч « 'о * 1Л <? * м ? « а я V) ? г о" ъ + ц

« * Ъ £ 9 г* !£ О « "в * % г* ¡3 •л 1 "в * м

V то « » Ь * "ь * 00 % * Г-00 * 00 ■ь « «п оС л ш 5 £ 9 сГ

6' ®Н30 * в £ во Ъ « ? ъ 1 ■7 о * * V) ^ л" £ 00 3 « « ш" ь <1 т

7.Рк N э I « «а а \ * о п ь « о о о о в

8.Р0 л гч * о в в о о о

9- Эу п г» г- 1 ъ * 3 « 8. т •ь * го о о о о е

ю. § еГ 00 н во П. © о о о о 9 о

Уравнения для рабочего интервала исходных данных были получены с использованием программы СУХРТ32, для проверки точности расчётов по свойствам бромистого лития сравнение вели с аппроксимационными зависимостями Рожко В.Ф., ДолотоваА.Г., Тимофеевского Л.С.

Укрупнённый вариант блок-схемы программы приведён на рис.2.

Программа разработана на языке Visual Basic, объём программы 1Мб. Определение адекватности разработанной программы проводили путем сравнения результатов программного и ручного расчётов на основе результатов испытаний. Расхождение в результатах расчётов составляет в среднем 7%.

Исходя из предполагаемого назначения энергосберегающей системы, в качестве внешних параметров приняты температура и влажность наружного воздуха. Интервал изменения параметров определён величиной расчётных температуры и влажности наружного воздуха для установок кондиционирования 2-ого класса.

В качестве внутренних параметров выбраны отношения температур входящих и выходящих потоков Т/Г) , ТУ Т0, характеризующие работу газовой и паровой турбин в зависимости от давления на входе в паровую турбину Рю и разности средних температур между газом и пароводяным потоком в парогенераторной установке ДТср.

Модель и программа состоят из 3 основных частей:

1. Тепловой расчёт энергосберегающей системы;

2. Определение показателей термодинамической эффективности;

3. Оценка эффективности инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы.

При тепловом расчете ПТУ предусмотрен контроль за соблюдением граничных параметров, в случае невыполнения которых установка не будет генерировать полезную электрическую энергию. В работе холодильной машины эти ограничения связаны с особенностями работы АБХМ.

В термодинамической части расчёта программы контролируются значение коэффициента эффективности использования АБХМ, как энергосберегающей технологии, которое по условиям достаточного термодинамического совершенства система должно быть не менее 5%.

В соответствии с разработанной программой энергетические и термодинамические характеристики системы могут быть определены при любом сочетании влияющих факторов, что позволяет производить комплексный анализ по всем показателям.

Особенностью исследуемой системы является то, что в ней обеспечивается постоянный отбор тепла от конденсатора ПТУ, что определяет постоянство её основных энергетических показателей: суммарной удельной выработки электроэнергии газовой и паровой турбинами на единицу отведённого тепла и электрической мощности, что подтверждено результатами расчётов по программе. Усреднённое значение мощности системы в соответствии с программой определено величиной 18,8МВт, тепловая нагрузка генератора - 4550 кВт.

Связи и взаимодействие в работе между АБХМ и ПГУ определяли с помощью относительных характеристик.

Приведённые на рисунках зависимости являются примером обработки результатов исследования при соблюдении условия Р,0= 3 МПа, ДТср = 90 К.

Рис. 2. Укрупнённый вариант блок - схемы и алгоритма расчёта энергосберегающей системы

Относительная характеристика энергосберегающей системы приведена в виде изменения величины Оо^пгу от изменяющихся параметров окружающей среды (рис.3).

О^пгу

Рис.3. Относительная характеристика энергосберегающей системы

Холодопроизводительность АБХМ определяется величиной в 15-17% от мощности Ш У для различных рабочих условий.

Степень термодинамического совершенства системы преобразования эксерпии топлива в эксергетическую холодопроизводительность АБХМ определяли по отношению еч0 / ечт. Характер зависимости определяется изменением эксергетических потерь в элементах ПГУ и АБХМ. Суммарные относительные потери эксергии в ПГУ в заданном интервале изменения внешних параметров остаются практически постоянными, среднее значение I Опгу=47%.

Эксергетические потери в АБХМ в соответствии с моделью системы определяются в долях потока эксергии, подведённого к генератору, с учётом эксергетических температурных функций те, характеризующих процесс теплообмена в аппаратах. Чтобы установить характер изменения потерь был проведён анализ эксергетического температурного напора в аппаратах в зависимости от параметров наружного воздуха и расчётных параметров сред, участвующих в процессе теплообмена.

Для процессов, протекающих в аппаратах АБХМ:

Дте= те1 -та - Т,- |(1/Тп1) - (1/Тп2)|,

где Т, -температура окружающей среды; Тп1, Тп2 - температуры потоков,

Изменение эксергетического температурного напора приведёно на рис.4.

Рис.4. Изменение эксергетического температурного напора по аппаратам АБХМ 1 -генератор; 2- абсорбер; 3- испаритель; 4- конденсатор

Характер изменения эксергетического температурного напора предполагает различную закономерность изменения эксергетических потерь в аппаратах. При значениях температур потоков выше температуры окружающей среды с её ростом эксергетический температурный напор падает (генератор, абсорбер), при этом потери снижаются; при температурах потоков ниже температуры окружающей среды эксергетический температурный напор растёт (испаритель), при этом потери растут.

В качестве иллюстрации приведены результаты расчётов потерь в генераторе (рис.5). При уменьшении Дте в генераторе на 40%, эксергетические потери уменьшаются в среднем на 25%.

IV К

300 302 304 306

Рис.5. Эксергетические потери в генераторе

На рис. б приведена зависимость суммарных относительных эксергетических потерь в АБХМ, которая снижается при повышении температуры окружающей среды из-за частичной компенсации потерь по аппаратам, при этом влияние влажности наружного воздуха исключается.

Щииы. % 30

1ТЬК

298 300 302 304 306 Рис. 6. Суммарные эксергетические потери в АБХМ

На рис.7, приведена зависимость, связывающая, суммарные

эксергетические потери в АБХМ и ПГУ. На основании полученной

зависимости можно заключить, что суммарные относительные эксергетические потери в АБХМ меньше, чем в ПГУ, а их снижение с ростом температуры окружающей среды ведёт к уменьшению эксергетических потерь в системе в целом.

ЯЭабхмЛСОПГУ

ТьК

296 298 300 302 304 306 308

Рис.7. Соотношение между эксергетнческими потерями в АБХМ и ПГУ

В связи со снижением суммарных эксергетических потерь в АБХМ поток эксергии еч0, отведённый от испарителя, возрастает, чем объясняется вид зависимости на рис.8.

0,120

296 298 300 302 304 306 308 Рис.8. Степень эксергетического совершенства процесса преобразования эксергии топлива в эксергетическую холодопроизводительность

Коэффициент эффективности применения АБХМ в автономной системе тригенерации определён как отношение эксергетических КПД холодильной машины и парогазовой установки,

(Чабхм I Лигу)

ЛАБХм/Лпгу

Рис.9. Коэффициент эффективности применения АБХМ в автономной системе

тригенерации

На основании анализа приведённых зависимостей можно сделать следующие выводы: при совместной работе АБХМ и ПГУ улучшаются энергетические характеристики энергосберегающей системы; степень термодинамического совершенства системы преобразования эксергии топлива (сбросного тепла) ПГУ в эксергетическую холодопроизводительность АБХМ в заданном интервале изменения внешних факторов 0< т|абхм <1, что характеризует реальные процессы; коэффициент эффективности применения АБХМ в составе автономной системы тригенерации находится в пределах 22 %, что является вполне приемлемым показателем для энергосберегающих систем.

Направления уменьшения эксергетических потерь были определены на основе анализа зависимости эксергетических КОД ПГУ и АБХМ от внутренних факторов.

Внутренние параметры в виде отношения температур входящих и выходящих потоков Т4/Т3=0,618...0,718 и Тт/То=0,669...0,725 характеризуют работу газовой и паровой турбин в интервале изменения давления на входе в паровую турбину Рю= 3.. .7 МПа и разности средних температур между газом и пароводяным потоком в парогенераторной установке ДТср=75...135 К.

Расчётом установлено, что при уменьшении среднего температурного напора между газом и пароводяным потоком в ПГУ коэффициент эффективности увеличивается, однако для заданного режима работы это увеличение незначительно.

Анализ зависимости эксергетического КПД от температурных напоров в аппаратах АБХМ показал возможность его повышения для различных режимов в среднем на 15%.

Экономическая оценка целесообразности использования энергосберегающей системы с применением АБХМ для различных регионов

установлена путём определения показателей эффективности инвестиций. Для условий Астраханской области основные экономические показатели приведены в выводах (п. 7).

Полученные показатели экономической эффективности соответствуют нормам ввода объектов нетрадиционной электроэнергетики.

Основные результаты и выводы.

Обобщение и анализ результатов исследования позволили оценить эффективность использования АБХМ в составе энергосберегающей системы тригенерации.

1. В работе обосновано применение абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин нового поколения, выпускаемых фирмой ООО ОКБ «Теплосибмаш», использующих для обогрева генератора сбросное тепло ПГУ (Патент РФ № 92095 от 10 марта 2010г).

2. Возможность эффективного использования абсорбционных холодильных машин в системах энергосбережения доказана на основе результатов системного анализа и моделирования.

3. Разработанная модель, комплексная программа и численный эксперимент позволяют определить основные энергетические, термодинамические и экономические характеристики элементов и системы в целом с учётом различных видов и сочетаний влияющих факторов и коэффициент эффективности использования АБХМ в составе системы тригенерации.

4. Присоединение АБХМ к ПГУ с целью осуществления принципа тригенерации во всей назначенной области работы системы улучшает показатели работы ПГУ и обеспечивает одновременную выработку электроэнергии, тепла и холода с достаточной степенью термодинамического совершенства.

5. Коэффициент эффективности применения АБХМ совместно с ПГУ в составе автономной энергосберегающей системы в исследуемом интервале изменения влияющих факторов изменяется в пределах 17 до 28%.

6. Автономная энергосберегающая система, включающая ШУ мощностью 18,5МВт и АБХМ холодопроизводительностью 3МВт может удовлетворить запросы потребителя по эффективному производству электроэнергии, тепла и холода для различных условий ее использования.

7. Оценка эффективности инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы для Астраханской области отражается следующими показателями: чистый дисконтированный доход проекта, равный 346112 т.р., внутренняя норма доходности, равная 47 %, индекс доходности дисконтированных инвестиций, равный 2,97 и дисконтированный срок окупаемости, равный 5 годам.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Галимова JI.B. Энергосберегающая система на. базе парогазотурбинной установки и абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины нового поколения / Славин Р.Б. //Холодильная техника №2 - 2007 - С. 42-43

2. Галимова JI.B. Моделирование процессов в энергосберегающей системе на базе парогазотурбинной установки и абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины / Славин Р.Б. // III Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». -Санкт-Петербург, -2007- С.31-37

3. Галимова JI.B. Термический компрессор в составе систем энергосбережения / Славин Р.Б. // Труды XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. Казань,- 2007 -С. 105106

4. Галимова JI.B. Программа для расчета энергосберегающей системы / Славин P.E. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008612537 от 22 мая 2008г

5. Галимова JI.B. Оценка эффективности автономной энергосберегающей системы по одновременной выработке электроэнергии, тепла и холода // Камнев A.A., Славин Р.Б. // IV Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». -Санкт-Петербург - 2009 - С.21-24

6. Галимова JI.B. Конденсатор энергосберегающей системы / Славин Р.Б. //Патент на полезную модель №92095 от 10 марта 2010г

7. Галимова JI.B. Эффективность системы тригенерации на базе парогазотурбинной установки и абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины нового поколения / Славин Р.Б. // Сборник материалов Международной научно - практической конференции «Повышение безопасности энергетических комплексов, эффективности охраны труда и экологичности технологических процессов». Астрахань, -2010 - С. 296-300

Подписано к печати S2.JJ.ii, Формат60х80 1/16. Бумага писчая.

Печать офсетная. Печ. л.1.0- Тираж 80 экз. Заказ № 2 СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Введение.

Глава 1 Анализ современного состояния проблемы и перспективы эффекивного использования абсорбционных термотрансформаторов в энергосберегающих системах тригенерации.

1.1. Обзор существующих схем и технологий автономных энергосберегающих систем по производству электроэнергии, тепла и холода.

1.2. Принципы построения автономных энергосберегающих систем, их достоинства и недостатки.

1.3. Элементы энергосберегающих автономных систем по производству электроэнергии, тепла и холода.

1.3.1. Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины нового поколения.

1.3.2. Автономные парогазовые установки.

1.4. Эксергоэкономическая оценка энергосберегающей системы.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2 Объект исследования. Методика расчета и оценки эффективности энергосберегающей системы.

2.1. Обоснование выбора схемы как объекта исследования.

2.2. Методика расчета энергосберегающей системы.

2.3. Методика оценки эффективности энергосберегающих систем.

2.3.1. Термодинамическая эффективность.

2.3.2. Эффективность инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3 Моделирование энергосберегающей системы.

3.1. Выбор вида моделирования.

3.2. Анализ исходных данных.

3.3. Разработка модели и комплексной программы для оценки эффективности энергосберегающей системы.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4 Анализ результатов исследования и их обсуждение.

4.1. Обоснование выбора параметров.

4.2 .Энергетические характеристики системы.

4.3. Результаты оценки эффективности энергосберегающей системы и их анализ.

4.4. Результаты оценки эффективности инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы и их анализ.

4.5. Выводы к главе 4.

Важность и необходимость повышения энергоэффективности хозяйственного комплекса государства является мировой проблемой. Её решение тесно связано с устойчивым развитием сообщества и этому в настоящее время уделяется пристальное внимания во многих международных программах, принятых ООН: "Повестка дня на XXI век", "Повестка дня Хабитат", "Киотский протокол" и ряд других. В этих документах государствами взяты обязательства по повышению энергоэффективности экономики в целом и защите окружающей среды [41].

В России эффективное энергообеспечение является одной из наиболее значимых экономических и социальных проблем. Практика показывает, что эффективность вложения средств в повышение энергоэффективности и в энергосбережение значительно выше, чем в развитие новых энергетических мощностей [8, 47, 55]. Поэтому энергосберегающая политика признана главным приоритетом энергетической стратегии, а вопросы энергосбережения и энергоэффективности вошли в ранг основных направлений государственной политики России [41].

Низкопотенциальная энергетика, являясь актуальным направлением холодильной техники, вносит свой вклад в решение мировой проблемы энергосбережения. Анализ выполненных ранее работ показал, что в определённых условиях абсорбционные преобразователи теплоты (АБПТ) различных схем могут быть использованы для создания энергосберегающих систем. Особая роль в применении новых энергосберегающих технологий на базе АБПТ принадлежит предприятиям энергетики и теплоснабжения. Применение АБПТ, использующих в качестве внешней энергии тепловые сбросы объектов энергоснабжения, позволяет повысить степень термодинамического совершенства систем преобразования энергии [14].

Особого внимания заслуживают автономные системы тригенерации. В качестве энергетических установок в данных системах используются автономные ПТУ средней производительности, обеспечивающие выработку электроэнергии и тепла [44]. К особенностям их работы в числе других относится снижение выработки электроэнергии в теплое время года из-за уменьшения теплового отбора и повышения температуры окружающей среды [62].

Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ) получили широкое применение благодаря возможности использовать в качестве источника энергии вторичные тепловые ресурсы, незагруженные отборы паровых турбин в неотопительный период и др. [80, 79, 64].

На основе проведённого в работе анализа отечественных и зарубежных энергосберегающих систем тригенерации выбрана автономная схема для комплексной выработки электроэнергии, тепла и холода на базе парогазовой установки средней мощности и АБХМ нового поколения.

При проведении исследования совместной работы ПГУ и АБХМ в составе энергосберегающей системы были проанализированы научные труды по исследованию и расчётам парогазовых установок учёных Московского энергетического института (технический университет) [70, 71] и результаты исследований и испытаний абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин нового поколения, проведённых на кафедре холодильных машин и низкопотенциальной энергетики СПбГУНиПТ и ООО «ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ» г. Новосибирск. Основные технические характеристики промышленных парогазовых установок и АБХМ использованы в дальнейшем при разработке алгоритмов и программного обеспечения.

Возможность эффективного использования абсорбционных холодильных машин в различных условиях эксплуатации энергосберегающей системы доказана на основе моделирования.

Методика научно-технического обоснования эффективного применения АБХМ в автономных системах тригенерации была разработана на основе системного метода исследования сложных схем с использованием кибернетической модели происходящих процессов и эксергетического и экономического методов оценки их эффективности.

На основе разработанной программы могут быть получены основные энергетические, термодинамические и экономические характеристики элементов и системы в целом с учётом различных видов и сочетаний действующих факторов, в составе которых выделены внешние и внутренние; показатели степени термодинамического совершенства процессов преобразования энергии затраченного топлива. Анализ результатов численного экспернимента дал возможность определить характер связей между характеристиками ПГУ и АБХМ и сделать выводы об эффективногсти их совместной работы.

Использование методики рационального планирования численного эксперимента по определению зависимости эксергетического КПД АБХМ от температурных напоров в аппаратах позволило оценить возможности повышения её эффективности.

Программа разработана на языке Visual Basic.

Комплексная оценка эффективности разрабатываемой энергосберегающей системы обеспечена путём раздельного последовательного анализа. Вначале на основе эксергетического метода определялась и оценивалась степень термодинамического совершенства с помощью эксергетических КПД элементов и системы в целом, затем экономический анализ подтвердил её целесообразность.

Цель и задачи исследования. Целью проводимых исследований является комплексный анализ эффективности применения АБХМ нового поколения в автономных системах тригенерации.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1 .Изучение современного состояния вопроса об эффективности использования АБХМ в автономных энергосберегающих системах по производству электроэнергии, тепла и холода;

2.Создание алгоритмов и программного обеспечения, используемого при постановке численного эксперимента по определению энергетических, термодинамических и экономических показателей работы системы и обработке полученной информации;

3.Анализ результатов исследования системы тригенерации при изменении внешних и внутренних параметров её работы, определение направлений уменьшения эксергетических потерь.

Научная новизна. Получены аппрроксимационные зависимости для определения термодинамических свойств водного раствора бромистого лития для условий работы энергосберегающей системы. Разработано программное обеспечение для определения энергетических характеристик, показателей термодинамической и экономической эффективности процесса получения холода для АБХМ, работающей на сбросном тепле ПГУ. Впервые определены связи между характеристиками абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины и парогазотурбинной установки, коэффициент эффективности применения АБХМ в составе энергосберегающей системы, определены направления снижения потерь. Получено «Свидетельство о государственной регистрации программы для расчёта энергосберегающей системы».

Актуальность работы. В настоящее время известны отечественные и зарубежные автономные схемы тригенерации на базе эффективных энергетических установок и абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин (АБХМ), основанные на современном промышленно выпускаемом оборудовании, однако комплексного исследования эффективности, оценки максимальных термодинамических возможностей систем для различных режимов работы не проводилось. Основными положительными качествами отечественных схем являются возможность более полного использования энергии сжигаемого газа и лучшие экологические характеристики. Поэтому к числу актуальных научных проблем, подлежащих решению в области низкопотенциальной энергетики и энергосбережения, относятся: исследование характеристик АБХМ, работающей в совокупности с энергетической установкой, для условий предполагаемого использования; разработка метода и оценка степени термодинамического совершенства системы преобразования энергии топлива и тепловых сбросов парогазовой установки; расчёт показателей эффективности инвестиций в создание энергосберегающей системы, основанной на отечественном оборудовании.

4.5. Выводы к главе 4.

1. На основании численного эксперимента получены различные характеристики энергосберегающей системы, позволяющие оценить её работоспособность при изменеии внешних параметров, в качестве которых выбраны температура окружающей среды и влажность воздуха.

2. При обработке результатов численного эксперимента были определены основные энергетические, термодинамические характеристики и относительные значения величин, связывающих показатели работы АБХМ и ПГУ, проведён их анализ в зависимости от внешних и внутренних параметров, характеризующих работу энергосберегающей системы в целом.

3. При совместной работе АБХМ и ПГУ улучшаются энергетические характеристики энергосберегающей системы; степень термодинамического совершенства системы преобразования эксергии топлива (сбросного тепла) ПГУ в эксергетическую холодопроизводительность АБХМ в заданном интервале изменения внешних факторов 0< г|абхм <1, что характеризует реальные процессы; коэффициент эффективности применения АБХМ в составе автономной системы тригенерации находится в пределах 17.27%.

4. Углублённый эксергетический анализ АБХМ был проведён с использованием методики рационального планирования эксперимента. Эксергетический анализ АБХМ по температурным перепадам в аппаратах показал, что при поддержании минимальных рекомендуемых значений эксергетический КПД АБХМ может быть увеличен на 15%, что приведёт к повышению степени термодинамического совершенства системы преобразования энергии.

5. Оценка эффективности инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы для Астраханской области отражается следующими показателями: чистый дисконтированный доход проекта, равный 346112 т.р., внутренняя норма доходности, равная 47 %, индекс доходности дисконтированных инвестиций, равный 2,97 и дисконтированный срок окупаемости, равный 5 годам.

90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщение и анализ результатов исследования позволили оценить эффективность использования АБХМ в составе энергосберегающей системы тригенерации.

1. В работе обосновано применение абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин нового поколения, выпускаемых фирмой ООО ОКБ «Теплосибмаш», использующих для обогрева генератора сбросное тепло ПТУ (Патент РФ № 92095 от 10 марта 20 Юг).

2. Возможность эффективного использования абсорбционных холодильных машин в системах энергосбережения доказана на основе результатов системного анализа и моделирования.

3. Разработанная модель, комплексная программа и численный эксперимент позволяют определить основные энергетические, термодинамические и экономические характеристики элементов и системы в целом с учётом различных видов и сочетаний влияющих факторов и коэффициент эффективности использования АБХМ в составе системы тригенерации.

4. Присоединение АБХМ к ПТУ с целью осуществления принципа тригенерации во всей назначенной области работы системы улучшает показатели работы ПТУ и обеспечивает одновременную выработку электроэнергии, тепла и холода с достаточной степенью термодинамического совершенства.

5. Коэффициент эффективности применения АБХМ совместно с ПТУ в составе автономной энергосберегающей системы в исследуемом интервале изменёния влияющих факторов изменяется в пределах 17 до 28%.

6. Автономная энергосберегающая система, включающая ПТУ мощностью 18,5МВт и АБХМ холодопроизводительностью 3МВт может удовлетворить запросы потребителя по эффективному производству электроэнергии, тепла и холода для различных условий ее использования.

7. Оценка эффективности инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы для Астраханской области отражается следующими показателями: чистый дисконтированный доход проекта, равный 346112 т.р., внутренняя норма доходности, равная 47 %, индекс доходности дисконтированных инвестиций, равный 2,97 и дисконтированный срок окупаемости, равный 5 годам.

1. - Новосибирск, 2002. - Юс.

2. Абсорбционные холодильные машины http://www.sanyo-electric.ru/products/conditioners/typesahs.htm.

3. Абсорбционные холодильные машины компании Dunham-Bush International // Холодильная техника №11 -2000 С.23-25

4. Абсорбционные холодильные машины фирмы "Trane" в системах кондиционирования воздуха http://www.truba.ua/artic/ru145

5. Алейникова A.A. Абсорбционные холодильные машины в системе тригенерации / Алейникова A.A. // Энергия и Менеджмент. №4 -2008 -http://www.web-energo.by/page.php?formid=501

6. Алексеенко С. Проблемы энергосбережения / Алексеенко С. // Строительство и городское хозяйство Сибири. №10 -2005 http://www.idbp.ru/index.php?action=page&name=sighs102220057.

7. Андрющенко А.И. Основы техничекой термодинамики реальных процессов // М.: Высшая школа. 1975 -264 с.

8. Аракелов В.Е. О потребности отраслей экономики России в энергосберегающем оборудовании многоотраслевого применения // Варварский B.C., Перепелкин Ю.М. // Промышленная энергетика №10 -1992 -С.5-7.

9. Архаров A.M. Основы энтропийно статистического анализа реальных энергетических потерь в низкотемпературных и высокотемпературных машинах и установках / Сычев В.В. // Холодильная техника №12 - 2005 -С. 14-23

10. Бараненко A.B. Энергосберегающие абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и водонагревательные преобразователи теплоты / Попов A.B., Тимофеевский Л.С. // Инженерные системы АВОК -Северо-Запад. №4 -2001 С. 19-23

11. Бараненко A.B. Абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты нового поколения / Попов A.B., Тимофеевский Л.С. // Холодильная техника №4-2001 С.18-20.

12. Бараненко A.B. Абсорбционные преобразователи теплоты / Тимофеевский Л.С., Долотов А.Г., Попов A.B. // Санкт Петербург, СПбГУНиПТ, 2005г. - 337с.

13. Бараненко A.B. Холодильные машины / Бараненко А. В., Бухарин H. Н., Пекарев В. И., Тимофеевский Л. С.; Под общ. ред. Л. С. Тимофеевского // — СПб.: Политехника, 2006г. — 942 с.

14. Беляков C.B. Автономные источники тепла и электроэнергии // Плохих И.П. // АКВА-ТЕРМ, март 2002г. http://www.esist.ru/help/aetis.htm

15. Березинец П.А. Анализ схем бинарных ПТУ на базе перспективной ГТУ / Васильев М.К., Костин Ю.А. // Теплоэнергетика №5 -2001 С. 18-20

16. Березинец П.А. Бинарные ПТУ на базе газотурбинной установки средней мощности / Васильев М.К., Ольховский Г.Г. // Теплоэнергетика17