автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Энерготехнологическое использование нетрадиционных и атомных энергоустановок

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 од

/

УДК 621.311.25:621.039:620.97

ДУБКОВСКИЙ Вячеслав Александрович

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕТРАДИЦИОННЫХ И АТОМНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Специальность 05.14.04 - Промышленная

теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Одесса - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре Атомных электрических станций Одесского государственного политехнического университета.

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор Гогунский В.Д., Одесский государственный политехнический университет Министерства образования Украины, заведующий кафедрой экологии и безопасности производства.

2. Доктор технических наук, профессор Шрайбер O.A., Институт общей энергетики HAH Украины, заведующий отделом энергосберегающих технологий и оборудования.

3. Доктор технических наук, профессор Безродный М.К., Национальный технический университет Украины "КПИ" Министерства образования Украины, заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники.

Ведущая организация: Институт технической теплофизики HAH Украины, отдел тепломассообмена, г.Киев

Защита состоится " " июня 1998 г. в часов на заседании

специализированного ученого совета Д 05.06.02 при Одесском государственном политехническом университете по адресу: 270044, г.Одесса, пр.Шевченко, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Одесского государственного политехнического университета.

Автореферат разослан «✓У " мая 199 8 г.

Ученый секретарь специализированного совета Мазуренко A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основным принципом государственной политики Украины в области энергосбережения является "создание энергосберегающей структуры материального производства на основе комплексного решения вопросов экономии и энергосбережения с учетом экологических требований, широкого внедрения энергосберегающих технологий".

В настоящее время Украина по энергоэкономическим показателям отстает от развитых европейских стран. Если годовое производство электроэнергии на душу населения составляет ~ 5,2 МВт-ч (Франция - 5,8 МВт-ч, Великобритания - 5,7 МВт-ч), то доля расхода ее в промышленности - 60%, в то время как во Франции и Великобритании, соответственно, 40% и 35,5%. Исследования, выполненные украинскими специалистами и подтвержденные выводами экспертов различных международных организаций, показали, что энергозатраты на единицу валового продукта в Украине в 2-3 раза (а по некоторым экспертным оценкам и более) превосходят энергозатраты экономически развитых стран.

Одним из рациональных путей решения проблемы экономии топлива и снижения энергоемкости выпускаемой продукции является внедрение ядерных реакторов в неэнергетические технологии с вытеснением дорогостоящих органических топлив, а также разработка и: внедрение энергоустановок, использующих альтернативные источники энергии - и в первую очередь солнечную.

Предметом диссертации является разработка одного из направлений проблемы создания энерго- и ресурсосберегающих технологий и технических устройств для их реализации.

Исследование этого направления включает решение совокупности таких задач, как разработка и исследование новых типов многоцелевых комбинированных энергоустановок, использующих энергосберегающие технологии; разработка теоретических основ построения тепловых схем, циклов и процессов таких установок; развитие методов их анализа; определение наивыгоднейших параметров работы установок, выбор и обоснование технологических процессов, наилучшим образом сочетающихся с температурными потенциалами энергоисточников.

Из всех нетрадиционных возобновляемых источников энергии наибольшее распространение получила солнечная энергия. Основными проблемами, затрудняющими широкое использование солнечных электро-

станций (СЭС) является суточная и сезонная неравномерность инсоляции и низкие начальные параметры паросиловых установок СЭС. Сделать СЭС конкурентоспособными с традиционными энергоустановками позволяют термохимические методы преобразования, аккумулирования и транспорта энергии. Термохимические солнечные электростанции (ТХСЭС) могут иметь значительно более высокий КПД за счет увеличения средне-термодинамической температуры подвода теплоты к реагирующим агентам, более эффективному термохимическому принципу аккумулирования и транспорта энергии, а также благодаря возможности использования солнечной энергии в технологических процессах (например, конверсии природного газа).

Ввиду использования для целей промышленной технологии теплоты относительно высокого потенциала - 800-1000 °С, наиболее целесообразным типом энерготехнологаческих установок являются атомные установки с высокотемпературными газоохлаждаемыки реакторами (ВТГР). Использование теплоты ВТГР оказывается наиболее предпочтительным в комбинированных установках с затратой высокопотенциальной теплоты для целей технологии и тепла среднего потенциала (300-750 °С) - в паросиловой части для выработки электроэнергии.

Исследования по использованию теплоты атомных реакторов для технологических целей проводятся с начала 60-х годов в США и Германии. Организованное в Германии из восьми фирм, относящихся к реакторостроению, угольной промышленности и металлургии, общество "Тепло ядерных реакторов" (АНП) занимается разработкой ядерных энерготехнологических установок. Горное научно-исследовательское общество, входящее в АНП, разработало технологическую схему процесса газификации угля водяным паром с использованием тепла высокотемпературного ядерного реактора (Р.Шультен, Юнтген X., Петере В.). Коэффициенты преобразования энергии установки для газификации угля водяным паром находятся в пределен 48-54 % для температуры гелия на входе 900 °С- и 60-73 % при температуре 1100 °С. При использовании ядерного реактора эквивалентная цена единицы тепла в два раза ниже аналогичной единицы цены тепла-при крекинге нефти и более, чем в три раза ниже в случае автотермической газификации угля.

В последние два-три десятилетия внимание научно-исследовательских, проектных и конструкторских организаций привлекают нетрадиционные энергоустановки с альтернативными источниками энергии, из которых самое пристальное внимание оказывается гелиоустановкам. В

США, Испании, Японии, Израиле, ряде других стран уже эксплуатируются солнечные электростанции (СЭС) небольшой 0.01н-1 МВт и умеренной 1-^10 МВт мощности, проектируются СЭС второго поколения электрической мощностью 100-300 МВт. В Израиле с 1982 г. работает электростанция электрической мощностью 150 кВт, использующая в качестве энергоисточника солнечный пруд..

Основными причинами, сдерживающими рост солнечной энергетики являются низкая термодинамическая эффективность СЭС 10-12 %, высокий уровень капитальных затрат, на порядок превышающий капитальные затраты в обычные ТЭС, а также суточная и сезонная неравномерность производства энергии и жесткая зависимость от инсоляции и погодно-климатических условий.

Таким образом исследование многоцелевых энерготехнологических установок с атомным источником теплоты и термохимических солнечных электростанций и комбинированных солнечно-топливных установок имеет общие задачи - внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий, повышение эффективности производства энергетической и технологической продукции за счет снижения потребления топлива и сырья; выбор рациональных схем организации технологических процессов, оптимального соотношения производимых видов продукции и др.

Предлагаемый подход к решению проблемы базируется на теоретических основах теплотехники, химической термодинамики, специальных методах термодинамического анализа энергетических и технологических установок, а также на методах, используемых в металлургической и химической технологиях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке и исследовании новых классов многоцелевых комбинированных энергоустановок, использующих энерго-и ресурсосберегающие технологии; разработке основ построения тепловых схем, циклов и процессов таких установок, развитии методов их анализа и определения наивыгоднейших параметров; выборе технологических процессов, наилучшим образом сочетающихся с температурным потенциалом энергоисточника; обосновании проектирования и сооружения установок.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Сформулированы принципы построения рациональных тепловых схем, ци1слов и процессов многоцелевых энерготехнологических установок с ядерным реактором, позволяющие конструировать тепловые схемы, про-

водить комбинирование энергоустановок, выбирать оптимальные циклы и процессы, проводить анализ влияния различных факторов на эффективность установок и получать комплексы оптимальных параметров.

2. Впервые предложены способы организации основных технологических процессов в атомных энерготехнологических установках: газификации углерода, конверсии метана, восстановления металлов из окислов. Осуществление процессов газификации углерода или конверсии метана совместно с процессами восстановления железа в кипящем слое приводит к их взаимной интенсификации. В результате этого сокращаются необходимые по условиям равновесия расходы углерода и метана, отпадает необходимость подачи водяного лара, уменьшаются общие теплозатраты. В разработанных регенеративных схемах совместных процессов уменьшается расход рециркулирующего газа, происходит снижение потерь тепла с отходящими газами.

При температурах свыше 800 °С обоснована целесообразность осуществления совместных процессов без рециркуляции газов и их очистки, что позволяет существенно упростить технологическую часть установки для производства губчатого железа.

В установках, предназначенных для получения синтез-газа, водорода, дальнего транспорта тепла, впервые обосновано проведение процесса газификации твердого топлива при переменной температуре, что приводит к увеличению полезных компонент (Н2 и СО) в газообразных продуктах газификации и дает возможность снизить уровень температур теплоносителя в газификаторе.

3. Предложен новый метод единой оценки термодинамической эффективности производства различных видов продукции многоцелевых энерготехнологических установок - электроэнергии, тепла, водорода как вторичного теплоносителя, губчатого железа в ядерных металлургических комплексах и других видов химического производства.

Введены понятия теплового и эксергетического эквивалентов производства неэнергетической продукции и на их основе рекомендуются системы относительных коэффициентов, характеризующих степени использования, соответственно, тепла и эксергии энергоисточника и технологического сырья в отдельных технологических процессах и установкой в целом.

Показано, что величина теплового эквивалента производства неэнергетического продукта определяется стандартными эффектами обратимых реакций образования продукта и сгорания используемого топлива.

Величина эксергетического эквивалента определяется эксергией теплового эквивалента или, что то же самое, - алгебраической суммой стандартных энергий Гиббса компонентов указанных реакций.

Показано, что потери эксергии в необратимых химических реакциях определяются общим выражением Гюи-Стодолы.

4. Установлено, что термодинамическая эффективность технологических процессов оказывается значительно выше процессов производства электроэнергии. Вместе с тем, эффективность многоцелевых экерготехно-логических установок в целом существенно выше эффективности чисто энергетических установок.

5. Разработана новая методика термоэкономического исследования атомных энерготехнологических установок многоцелевого назначения. При этом показателем технико-экономической эффективности выступает экономия годовых расчетных затрат. Предложено при определении термоэкономической эффективности одного отдельно взятого продукта, выпускаемого многоцелевой установкой, общую часть затрат распределять пропорционально эксергии теплоты ядерного реактора, затраченной на производство данного продукта. В этом случае может быть определена эффективность установки в целом и эффективность выпуска каждого вида продукции, а также их оптимального соотношения.

6. Численным экспериментом впервые получены комплексы оптимальных параметров для циклов и технологических процессов, определяющим образом влияющие на технико-экономическую эффективность сооружения и эксплуатации установок. При этом атомные энерготехнологические установки с ВТГР, использующие в качестве сырья твердое органическое топливо, уже на современном этапе могут успешно конкурировать с существующими производствами тех же видов продукции.

7. Предложен новый класс нетрадиционных энергетических установок: термохимических солнечных электростанций, в том числе комбинированных солнечно-топливных, и энерготехнологических солнечных установок. Доказано, что промышленное использование солнечной энергии может осуществляться на основе новых методов преобразования я аккумулирования энергии. Сформулированы принципы конструирования" тепловых схем таких установок, выбора циклов технологических процессов, основных энергетических и технологических параметров.

8. Разработан метод термоэкономического исследования, нетрадиционных энергоустановок с возобновляемыми источниками энергии, в кото-

ром впервые совместно учтены основные принципиальные особенности исследуемого объекта: выработки разнородных видов продукции - энергетической :и неэнергетичеекой (технологической); необходимость определения затрат первичной энергии на сооружение установок; неравноценность производства пиковой, базовой и провальной электроэнергии. Предложены критерии, позволяющие на предпроектной стадии оценить энергетическую и термоэкономическую целесообразность нетрадиционных энергоустановок.

9. Обоснованы условия работы термохимических солнечных электростанций как в общей энергосистеме, так и в изолированных энергосистемах, либо в энергосистемах, испытывающих дефицит мощности. Впервые определена область значений основных энергетических параметров и параметров технологических процессов, обеспечивающих конкурентоспособность термохимических солнечных энергоустановок с традиционными энергоустановками на органическом топливе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов работы состоит в следующем. Показаны перспективные направления развития энергетики и энерготехнологии, которые помогут решить целый ряд топливно-энергетических, экологических, транспортных, региональных проблем, ускорят внедрение эиерго- и ресурсосберегающих технологий.

Предложенные принципы построения тепловых схем, циклов и процессов позволяют проводить конструирование и совершенствование широкого спектра многоцелевых энерготехнологических установок с различными источниками первичной энергии. Полученные параметры циклов и схем энерготехнологических установок могут явиться исходной информацией при проектировании и выборе технологического оборудования, анергоисточника, вида и характеристик технологического сырья.

Термодинамический метод исследования многоцелевых энергоустановок, выпускают их разнородную продукцию, позволяет проводить анализ различных многоцелевых установок. Практическое преимущество разработанного метода анализа в том, что в качестве исходной информации (справочного материала) используются известные и широко распространенные константы стандартных теплот образования веществ, стандартных энергий Гиббса и абсолютных энтропий веществ, что значительно упрощает инженерные расчеты.

Решена задача оптимизации основных параметров тепловых схем и технологических процессов многоцелевых АЭТУ. Разработанная обощен-

ная математическая модель АЭТУ позволяет проводить оптимизационные исследования различных тепловых схем с изменением их параметров и структуры.

Принципы организации технологических процессов и конструктивные проработки основных технологических аппаратов энерготехнологических установок ускорят проведение НИР и ОКР по разработке установок и повысят эффективность необходимых исследований.

Созданы новые схемы солнечных электростанций, позволяющих "отслеживать" суточный график электропотребления, обоснованы условия их комбинирования с ТЭС и АЭС, определены условия их совместной работы в энергосистеме.

Внедрение критериев по оценке возможности использования низкопотенциальных энергоресурсов и ВЭР в практику промышленных предприятий позволит избежать энергетически и технико-экономэтески нецелесообразных решений, повысит эффективность утилизации низкопотен-цильных энергоисточников.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с общесоюзной (в период СССР) программой ОЦ.ОО! в части исследования и оптимизации энергетических и энерготехнологических установок, а также по заданию 0.01.04 "Создать новые виды энергоблоков с ядерными реакторами для выработки электроэнергии и тепла", по республиканской комплексной научно-технической программе РН.Ц.001 "Совершенствование технической базы топливно-энергетического комплекса и повышение эффективности использования энергоресурсов".

Результаты работы в виде энергосберегающего проекта солнечных энергоустановок вошли в Программу государственного развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, составную часть Нвцио-нальной энергетической программы Украины.

Основные разработки и результаты исследований внедрены в практику научно-исследовательских работ отдела высокотемпературной энергетики ИАЭ им.И.В.Курчатова по теме "Энерготехно логическое применение ВТГР" в части использования АЭТУ, математических моделей технологических и теилообменных аппаратов и оптимальных параметров циклов энерготехнологических установок на базе ВТГР; в отделе термохимических процессов ИТТФ HAH Украины, где был использован термодинамический анализ энерготехнологических процессов с внешним источником теплоты; в ЭНИН им.Г.М.Кржижановского, по заданию которого

проведены исследования, обосновывающие использование термохимических методов в солнечных энергоустановках; в Институте энергетических исследований РАН (г.Москва), где были использованы приложения эксергетического метода в рамках научно-исследовательской программы "Эксергетический баланс СССР".

Опосредовано результаты исследований использованы при проектировании и сооружении солнечной установки для горячего водоснабжения (и, частично, отопления) производительностью до 20 тонн в сутки предприятия " Облдор" в г.Затоке.

Результаты диссертации нашли реализацию в учебной и учебно-методической работе в курсах дисциплин "Ядерные энергетические установки", "Атомные электрические станции", "Материалы ядерных энергетических установок" Одесского политехнического университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Всесоюзных семинарах "Атомно-водородная энергетика и технология", ИАЭ им.И.В.Курчатова, 1985-89 г.г.; на Всесоюзном совещании по разработке новых методов энергетического анализа, Институт технической теплофизики HAH Украины, 1991 г.; Межвузовском научном семинаре "Повышение эффективности и оптимизация теплоэнергетических установок" в СПИ, г.Саратов, 1988 г.; на Ш и IV Всесоюзных школах-семинарах "Применение экеергетических методов анализа", ХПИ, г.Харьков, 1988 г., НКИ, г.Николаев, 1990 г.; на научно-технических семинарах: лаборатории газовой энергетики им.И.В.Курчатова, 1986 г., Отдела циклов и схем ИЯЭ АН БССР, г.Минск, 1993 г.; ЭНИН им. Г.М.Кржижаиовского, г.Москва, 1991 г.; ИНЭИ АН СССР, г.Москва, 1990 г.; Всесоюзных совещаниях по проб леме "Эксергетический баланс СССР", 1989-1990 г.г.; а также на ряде региональных и вузовских конференций и совещаний, 1990-1997 г.г.

ЛИЧНЫМ ВКЛАДОМ АВТОРА В РАБОТУ является следующее:

1. Выбор научного направления, изучение проблематики, критический анализ современных методов анализа энергоустановок, постановка цели и задач диссертационной работы.

2. Разработка принципов построения рациональных тепловых схем, циклов и процессов многоцелевых энерготехнологических установок с высокотемпературным ядерным реактором.

3. Предложение и разработка способов организации основных технологически х процессов в АЭТУ и технологических аппаратов для их протекания.

4. Создание термодинамического метода исследования многоцелевых энерготехнологических установок, выпускающих разнородную продукцию. Развитие термоэкономических методов для исследования атомных энерготехнологических установок и термохимических солнечных энергоустановок.

5. Определение области оптимальных параметров, циклов и технологических процессов многоцелевых АЭТУ и обоснование их технико-экономической эффективности.

6. Разработка нового класса энергоустановок - термохимических солнечных электростанций, выбор тепловых схем и технологических процессов, обеспечивающих их конкурентоспособность с традиционными энергоустановками.

7. Практические рекомендации, перспективы дальнейших исследований и

выводы по работе.

Личный творческий вклад автора подтверждается 20 опубликованными по теме диссертации научными трудами, из них 6 единолично, в том числе- одной монографией и 8 авторскими свидетельствами на изобретения.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ

1.Основы построения рациональных схем, циклов и процессов многоцелевых энерготехнологических установок. Схемы организации основных технологических процессов: совместные процессы газификации твердого топлива (конверсии природного газа) и восстановления губчатого железа из руды; проведение процесса газификации твердого топлива при переменной температуре процесса.

2. Развитие эксергетического метода анализа применительно к химическим процессам, критерии термодинамической эффективности атомных энерготехнологических установок: тепловой и эксергетичеекий эквиваленты, относительные коэффициенты, коэффициенты преобразования энергии.

3. Метод единой оценки термодинамической эффективности производства различных видов продукции в многоцелевых энерготехнологических установках: электроэнергии, теплоты, водорода, как вторичного

теплоносителя, губчатого железа и других видов металлургического и химического производства.

4. Анализ влияния различных факторов на термодинамическую эффективность атомных энерготехнологических установок и определение термодинамически наивыгоднейших параметров в энергетической и технологической частях установок: температуры газификации твердого топлива, температур входа и выхода теплоносителя в газификатор; количества отборного пара на газификацию; температуры доконверсии окиси углерода; температуры и давления совместных процессов газификации и восстановления; количества рециркулирующих газов.

5. Методику комплексной термоэкономической оптимизации многоцелевых атомных энерготехнологических установок, использующих в качестве технологического сырья твердое органическое топливо.

6. Комплексы оптимальных параметров для тепловых схем и технологических процессов, определяющим образом влияющих на технико-экономическую эффективность сооружения и эксплуатации атомных энерготехнологических установок.

7. Новый класс нетрадиционных энерготехнологических установок -термохимических солнечных электростанций (ТХСЭС) и энерготехнологических солнечных установок.

8. Основы построения тепловых схем, выбор рациональных процессов, циклов и параметров термохимических солнечных энергоустановок, в том числе комбинированных с ТЭС или АЭС, и солнечных энергоустановок, использующих в качестве системы сбора и преобразования энергии солнечный пруд.

9. Критерии термодинамической и термоэкономической оценки эффективности нетрадиционных энергоустановок.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит введение, 7 глав и выводы по работе, изложена на 270 страницах, исключая 75 рисунков, 23 таблицы и список литературы (208 источников).

ВОЗВЕДЕНИИ кратко обоснована актуальность проведенных исследований, обозначены проблема и классы исследуемых объектов, сформулированы предмет и задачи диссертации, дана общая характеристика работы и основные положения, выносимые на защиту.

ШЯВВАЯЛШАВА посвящена анализу состояния вопроса энерготехнологического использования высокотемпературных ядерных реакторов и

особенностям тепловых схем и параметров многоцелевых энергогехнологи-ческих установок с атомным источником теплоты.

ВТОРАЯ_ГЛАВА диссертации посвящена разработке термодинамического метода анализа энерготехнологических установок, выпускающих разнородную - энергетическую и неэнергетическую (технологическую) продукцию.

ХРЕТЬЯ_ГДАВА диссертации посвящена выбору и обоснованию рациональных тепловых схем и наивыгоднейших условий организации технологических процессов и циклов атомных энерготехнологических установок и их термодинамическому анализу.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА диссертации посвящена термоэкоиомическому исследованию АЭТУ различного назначения, определению комплексов оптимальных параметров циклов, схем и процессов, обоснованию целесообразности проектирования и сооружения установок.

ПЯТАЯ_ЕЛАВА диссертации посвящена разработке принципов использования термохимических методов преобразования и аккумулирования солнечной энергии, а также конструирования тепловых схем термохимических солнечных энергоустановок, в том числе комбинированных солнечно-топливных и энерготехнологических.

ШЕСТАЯ^ГЛАВА диссертации посвящена разработке и математическому моделированию термохимических процессов, тепловых схем и аппаратов термохимических солнечных энергоустановок.

СЕДЬМАЯ ГЛАВА диссертации посвящена термодинамическому и термоэкономическому анализу термохимических солнечных энергоустановок, комбинированных солнечно-топливных и энерготехнологических установок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Содержание диссертации составляет решение комплекса задач, связанных, в соответствии с поставленной целью и проблематикой, с внедрением крупномасштабных энергосберегающих технологий и экономией органических видов топлива. Наиболее эффективных результатов в этом направлении можно достичь, внедряя в такие энергоемкие отрасли промышленности, как металлургическая, химическая, нефтехимическая и др., ядерные реакторы, обеспечивая ядерным теплом технологические процессы. Другое перспективное энергосберегающее направление - макси-

мальное внедрение нетрадиционных возобновляемых источников энергии, основным их которых является солнечная энергия.

Первая часть диссертацией работы посвящена исследованию многоцелевых атомных энерготехнологических установок. Анализ состояния вопроса и проведенный обзор литературных источников по этой проблеме показал, что, несмотря на проводимые исследования, практически отсутствуют работы, посвященные термодинамическим методам анализа тепловых схем и технологических процессов АЭТУ, а традиционные методы, применяемые для анализа энергетических установок либо для определения совершенства технологических процессов, оказываются непригодными. Многоцелевые энерготехнологические установки характеризуются ¡потреблением различных видов топлив и сырья, в том числе и неэнергетического вида, и производством как энергетической, так и неэнергетической продукции. Различный потенциал, а следовательно, и ценность тепловой энергии, используемой в различных частях установки, переход тепловой энергии в химически связанную энергию технологических агентов, распределение тепловой мощности реактора между различными процессами, наличие преобразования как энергии, так и материи, тесная связь технологических и энергетических процессов и параметров требуют новых подходов к теплотехническому исследованию энерготехнологических установок.

Наличие в энергетической установке даже двух видов однородной энергетической продукции - электроэнергии и теплоты, что характерно для теплоэлектроцентралей, затрудняет анализ эффективности установок. Для энерготехнологических установок задача намного сложнее. Такая установка вырабатывает не только энергетическую продукцию в различных формах, но и технологическую продукцию как энергетического вида: водород, синтетическое газообразное или жидкое топливо, так и неэнергетическога вида: железо, восстановительный газ, аммиак, минеральные удобрениия и другие. Кроме того, необходимо учитывать наличие в энерготехнологических установках как минимум нескольких видов исходного энергетического и технологического сырья: ядерное топливо, органическое топливо (уголь или природный газ), которое используется как технологическое сырье, окислы металлов и т.д.

Методы анализа, используемые в настоящее время в металлургии, химической и других отраслях промышленности основаны на законах сохранения материи и энергетическом балансе и не затрагивают вопросов энергопреобразования в системе. Современные методы анализа в энергети-

ке, естественно, основаны на первом и втором начале термодинамики. Появление нового объекта исследования - многоцелевой энерготехнологической установки требует, наряду с другими задачами, их теплотехнического исследования, которое включает, во-первых, выбор химико-технологических процессов, реализующихся в соответствующих схемах, таких как паровая или пароуглекислотная конверсия природного газа, газификация твердого топлива водяным паром или двуокисью углерода, конверсия природного газа, восстановление железа из руды по различным схемам, доконверсия окиси углерода в синтез-газе и других; во-вторых, определение связей между технологическими и энергетическими характеристиками процессов; в-третьих, разработку критериев, оценивающих эффективность установок и на их основе определение наивыгоднейших способов организации основных технологических процессов и их оптимальных технологических и энергетических параметров, наивыгоднейших параметров схем и оптимальных конструктивных и габаритных характеристик оборудования. Такая задача до настоящего времени не ставилась.

Проведен критический анализ существующих термодинамических методов и их приложений (Шаргут, Степанов, Верхивкер) к установкам и процессам, преобразующим не только энергию, но и материю, в результате которого сделан вывод, что по ряду вопросов внедрения энергетического метода термодинамического анализа нет окончательно сформированной единой точки зрения; существующие методы не лишены определенных недостатков и необходимы дальнейшие исследования по приложениям энергетического анализа для решения задач рационального энерго- и ресурсоиспользования.

Термодинамическая эффективность объекта исследования - многоцелевой АЭТУ в общем виде определяется расходом теплоты ядерного реактора на производство соответствующего вида продукции: электроэнергии, железа, водорода, каких-либо других продуктов химического производства, а также теплоты, идущей для целей теплофикации. По аналогии с ТЭЦ, работающими на органическом топливе, эффективность таких установок может быть оценена известными показателями, характеризующими эффективность отпуска электроэнергии и теплоты. Однако эти показатели характризуют эффективность выработки электроэнегии и отпуска теплоты и не определяют эффективность протекания: технологических процессов. В связи с этим возникает необходимость разработки критериев, которые характеризовали бы термодинамическую эффективность различных технологических процессов и установки в целом.

Предлагается применение системы относительных показателей, характеризующих по аналогии с КПД отношение полезно используемой теплоты к затраченной:

--.не и

О"

(1)

где : ) - вид продукции энерготехнологической установки.

Применительно в электроэнергии и теплоте, отпущенной вне энерготехнологической установки, выражение (1) принимает вид соответствующих КПД. Для технологических процессов величиной О/*™ целесообразно выразить тепловой эквивалент производства того или иного вида продукции, а величиной 01гюр количество теплоты, фактически затраченное в процессе. Под тепловым эквивалентом производства технологического продукта (О*"") следует понимать количество теплоты, подводимое в обратимом процессе получения единицы массы этого продукта которое определяется суммарным тепловым эффектом реакции. Если при этом кроме непосредственно подводимой теплоты в качестве технологического сырья используется какое-либо топливо, то величиной теплового эквивалента необходимо также учитывать теплоту срогания этого топлива ({¡!вр):

оГ-оЛ + вгол (2)

где В) - расход топлива на единицу массы производимого продукта.

Если в каком-либо процессе производства технологического продукта расходуется тепловая энергия реактора (С^), технологическое сырье (С^), технологический пар (<?„]) (например, в процессе газификации угля), то коэффициент использования теплоты для получения продукта можно представить в виде;

ая в

(3)

где вщ^ - количество ¿-го технологического продукта.

Эффективность использования теплоты АЭТУ может оцениваться системой относительных коэффициентов, характеризующих степень использования теплоты при производстве каждого продукта:

п (4)

ы

и общим коэффициентом, определяющим эффективность использования теплоты установкой:

—3-. (5)

где n - вид использованного топлива.

Сопоставление значений этих коэффициентов позволяет сценить эффективность использования теплоты при производстве каждого вида продукции и установкой в целом по единому методу в одних тепловых единицах. Однако качество теплоты, используемой в различных частях АЭТУ, оказывается различным. Различно следует оценивать и вырабатываемую продукцию. При оценке производства неэнергетических продуктов предлагается оценивать эксергию теплоты, пошедшей на получение продукта, т.е. по аналогии с тепловым эквивалентом вводится понятие эксергетического эквивалента производства продукта:

Е/м - Q,— - To-AS;1™, (6)

где AS/** — AS" - Bj-AScr° - изменение энтропии в обратимых химических реакциях образования продукта (AS,0) и сгорания используемого топлива (ASCT°).

Эксергетические коэффициенты, характеризующие степень термодинамического совершенства процессов производства различной, в том числе неэнергетической, продукции, выражаются в общем виде:

V-Ei/ZE", (7)

где Ej - эксергия или эксергетический эквивалент продукции вида j; ¿Е]\ -

суммарная эксергия теплоты, пошедшей на производство продукта j. Эксергетический коэффициент, характеризующий эффективность установки в целом, запишется в виде:

п

ZEj

Пуст' - л;—, (8)

где . сумма эксергий и эксергетических эквивалентов производимой

3=1

продукции; Ер и Ей - эксергия, соответственно, теплоты ВТГР и i-ro технологического топлива.

Выражение (8) можно представить в виде:

где ip - коэффициент использования топлива в технологической части; т\/ и г),п - эксергетические коэффициенты энергетической и технологической части, соответственно.

Из этого выражения видно, что при условии if р = const и rj", = const оказывается выгодным увеличивать производительность той части установки, эксергетический коэффициент которой выше.

Показано, что термодинамическая эффективность теплоэнергетических установок может быть определена произведением двух величин: КПД цикла Кврно, осуществляемого в соответствующем, интервале температур Tit* и значением коэффициента термодинамического совершенства цикла

Аналогичным образом выражается и коэффициент преобразования энергии установки многоцелевого назначения:

ть*=1пв-пЛ (И)

где тич - относительная эксергетическая ценность подводимой теплоты.

Коэффициент преобргшования энергии в виде (8) или (11) характеризует степень преобразования подводимой тепловой энергии включающей теплоту сгорания используемого технологического топлива В<5НР, в организованные виды энергии: электроэнергию, эксергию тепла и эксергетиче-ские эквиваленты технологических продуктов. Для энергетических установок выражение (8) представляет собой коэффициент полезного действия установки.

' Этот коэффициент наиболее полно выражает термодинамическую эффективность многоцелевых установок и может быть использован в качестве основного критерия термодинамической эффективности проектируемых установок. Для действующих установок этот критерий может служить в качестве показателя экономичности работы установки.

Для получения различных технологических продуктов обычно рекомендуются изобарно-изогермические реакции. Имеются методики расчета таких реакций в зависимости от температуры и давления. Выбор температуры и давления реакции определяется в основном выходом продуктов и прочностными характеристиками применяемых материалов.

Вместе с тем, в ряде случаев могут быть определены наивыгоднейшие условия протекания химико-технологических процессов.Очевидно, что при постоянной температуре реакции наиболее целесообразным является подвод тепла от источника с постоянной температурой при минимальном температурном напоре. Однако в установках с ВТГР и гелиевым теплоносителем организация процесса подвода тепла при постоянной температуре теплоносителя невозможна, а при незначительном изменении температуры требуется чрезмерное увеличение расхода теплоносителя. В реальных условиях температура теплоносителя изменяется существенно, и технологические процессы оказываются возможными при температурах на 200...250 °С ниже максимальной температуры теплоносителя.

На рис.1 в координатах "Т-Б" показаны рациональный технологический процесс 1-2 и паровой цикл комбинированной установки. С целью при-2 ближения изобары подвода тепла в паровой части установки охлаждения теплоносителя целесообразно применение пара сверхкритических параметров без вторичного перегрева. В паровой части принят регенеративный подогрев питательной воды, осуществляемый по обычной схеме.

Чрег

Однако наивыгоднейшая температура подогрева питательной воды будет

_иной, чем в чисто паротурбинных

установках. Эта температура была определена аналитически:

гт! наив__То

Пв "1-7,"»"" { '

т.е. термодинамически наивыгодней-Э шая температура подогрева пита-Рис.1. Рациональный технологиче- тельной воды определяется значени-ский процесс и паровой цикл ком- ем коэффициента преобразования бинироваяной энерготехнологиче- энергии всей установки. Формула ской установки (12) получена для теоретического

цикла с бесконечным числом регенеративных подогревателей. Учет реального числа подогревателей может быть выполнен по методу Д.Д.Кала-фати.

За последние десятилетия в металлургии находит все большее применение способ производства губчатого железа в гак называемом кипящем слое. Способы производства губчатого железа в кипящем слое разработаны в ряде стран, это - процесс водород-железо, способ Шипли, процесс ФИОР (США), процесс Новальфер-Ониа (Франция), способ Фута-кучи (Япония), способы высокотемпературного восстановления железа (институт газа HAH Украины и институт металлургии им.А.А.Байкова) и способ восстановления железа природным газом (институт нефти РАН), а также так называемый бескоксовый способ получения железа.

Реакция газификации угля и восстановления железа происходит при температурах 700-900 °С и атмосферном давлении и требует значительно меньшего расхода тепла, чем при при доменном производства чугуна.

Особенно эффективным этот способ оказывается при использовании тепла ядерного реактора, так как при этом достигается значительная экономия высококачественных коксующихся углей.

Дополнительная экономия топлива при бескоксовом способе получения железа может быть достигнута при осуществлении совместных процессов газификации угля и восстановления железа.

Вместе с тем, сочетание параметров и способов организации процессов газификации угля и восстановления железа из руды с параметрами теплоносителя до настоящего времени не проводилось. Не проводилось также и термодинамическое исследование этих процессов.

Процессы газификации и восстановления протекают не стехиометри-чески, то есть требуют определенных избытков газообразных компонентов, величина которых определяется параметрглш процессов. Если осуществить протекание этих процессов совместно, т.е. в одном объеме в одно время, то продукты реакций газификации и восстановления будут использоваться в качестве исходных веществ в соответствующих реакциях. В результате процессы взаимно интенсифицируются, при этом равновесный состав продуктов совместных реакций и соотношения исходных веществ будут иными, чем в случае, когда процессы протекают раздельно.

Совместные процессы известны как реакции косвенного восстановления железа. Необходимый уровень температур - 800-900 °С позволит успешно сочетать их в энерготехнологических установках с параметрами теплоносителя. В настоящее время ведутся экспериментальные работы по

исследованию как низкотемпературного восстановления окислов железа, так и по прямому и косвенному восстановлению.

В диссертации проведены исследования по организации основных технологических процессов, в том числе совместных процессов и их сочетанию с параметрами энергоисточника. По результатам исследования предложена схема ядерно-металлургического комплекса, использующая в качестве технологического сырья природный газ и схема с использованием совместных процессов (рис.2).

1 - ядерный реактор;

2 - теплообменник промконтура;

3 - аппарат совместных процессов;

4 - регенератор;

5 - парогенератор;

6 - паровая! турбина;

7 - конденсатор;

8 - питательный насос;

9 - регенеративная система;

10,11,12 - гаводувки.

Рис.2. Схема АЭТУ для получения губчатого железа с использованием совместных процессов

Исследована термодинамическая эффективность тепловых схем на основе предложенного метода, а также влияние основных параметров цикла и технологических процессов АЭТУ на термодинамические показатели. В таблице 1 приведена область достижимых термодинамических показателей для некоторых АЭТУ.

Верхняя температура цикла выбрана 950 °С, а давление 5,0 МПа, что соответствует параметрам теплоносителя ВТГР. Параметры цикла и технологических процессов, соответствующие термодинамическим показателям табл.1, оказались следующие: температура пароводяной газифика-

игшь РУЯл-

=©

ции угля 760-790 °С при давлении процесса 0,2 МПа, температура теплоносителя на входе в парогенератор 680-700 °С, температура совместных процессов газификации и восстановления 710-730 °С, относительный расход пара на технологические процессы 1,00-1,25. Использование теплоты ВТГР в технологических процессах оказывается более эффективным, чем для производства электроэнергии. АЭТУ, где процессы газификации угля или конверсии природного газа и восстановления железа протекают совместно, характеризуются более высокой степенью термодинамического совершенства, которую определяет высокая эффективность технологической части установки, В целом термодинамическая эффективность многоцелевых АЭТУ оказывается существенно выше эффективности чисто энергетических установок.

Таблица 1

Термодинамические показатели АЭТУ

Циклы и технологические процессы Коэффициенты Эксергетиче-

тепловых схем АЭТУ использования ские

теплоты коэффициенты

Пароводяная газификация твердого топлива 0,74-0,76 0,86-0,88

Восстановление губчатого железа

продуктами пароводяной газификации 0,91-0,93 0,92-0,94

Газификация твердого топлива и восстанов-

ление губчатого железа газообразными про-

дуктами газификации 0,68-0,69 0,76-0,77

Совместные процессы:

- с конверсией природного газа; 0,765-0,79 0,79-0,81

- с газификацией углей 0,78-0,80 0,80-0,82

Получение электроэнергии 0,42-0,43 0,68-0,69

Установка в целом

Получение железа (раздельные процессы) 0,53-0,57 0,66-0,69

Получение водорода 0,52-0,54 0,65-0,67

Получение железа (совместные процессы) 0,58-0,61 0,70-0,73

Особенностями термоэкономического исследования энерготехнологических 'установок являются определение связи между термодинамическими и технико-экономическими показателями, оптимизация параметров и обоснование рентабельности их сооружения и эксплуатации. Оптимизация включает определение оптимальных параметров теплоносителя, рабочих тел и технологических реагентов, наивыгоднейших характерно-

тик энергетического и технологического оборудования и выбор рациональных тепловых схем установок. Е[ри комплексном производстве различной продукции: электроэнергии, теплоты, водорода, губчатого железа, химических удобрений и др., как это характерно для АЭТУ, известный критерий технико-экономического сравнения - минимум приведенных годовых расчетных затрат оказывается неприемлемым; так как в случае исследования многоцелевых установок' всегда существует оптимальное соотношение различных видов продукции, еще не известное в начальный период исследования. В этих условиях в качестве технико-г>кономического критерия предлагается использовать величину экономии приведенных расчетных затрат в рассматриваемой системе:

в

Эштр "" Э-3 свст + Ну '3 <.ист - Зуст, (1^0

где Э - выработка электроэнергии в АЭТУ;

Зспст> зСПСТ2- - удельные расчетные затраты в системе на выработку электроэнергии и ¿го вида технологического продукта в количестве П,;

Зуст - годовые расчетные затраты АЭТУ.

При использовании (13) расчетные затраты в вариантах исследуемой установки и в системе каждый раз приводятся к единому производственному эффекту. Выражение (13) определяет затраты по всей установке. При необходимости сравнении эффективности производства отдельно каждого продукта, производимого АЭТУ с эффективностью производства этого продукта другими современными способами могут быть использованы термодинамические показатели работы отдельных частей схемы и расчетные затраты на производство того или иного вида продукции. При этом расчетные затраты, являющиеся общими для энергетической и технологической частей установки (реактор, промежуточный контур, строительные расходы, ядерно горючее и др.), предлагается разделить пропорционально эксергии теплоты, расходуемой в соответствующей части схемы:

3.^ = 3^.11 + 3., (14)

где 3^ -расчетные затраты непосредственно ]-ой части;

Ер, Е} - эксергии, соответственно, теплоты реактора и теплоты, переданной в ]-ую часть установки.

Задачей оптимизации АЭТУ явилось: определение термоэкономиче-ски важнейших параметров; выбор целевой функции оптимизации и методов поиска ее экстремума. Исследование и оптимизация параметров

тепловых схем АЭТУ проводились по созданной обощенной математической модели АЭТУ. В качеств целевой функции выбрана экономия годовых расчетных затрат, определяемая по (13).

Проведенные термоэкономические исследования показали конкурентоспособность многоцелевых АЭТУ, работающих в области оптимальных параметров с существующими установками и производствами аналогичных видов продукции.

Во второй части диссертации разработаны теоретические принципы использования термохимических методов преобразования и аккумулирования солнечной энергии; предложен новый класс энергоустановок - термохимических солнечных электростанций, в том числе комбинированных солнечно-топливных, солнечных энерготехнологических установок и энергоустановок, использующих в качестве накопителя солнечной энергии солевой пруд; обоснованы рациональные циклы, схемы и наивыгоднейшие термохимические процессы.

Основными причинами недостаточной эффективности солнечных установок являются: низкая термодинамическая эффективность; высокий уровень капитальных затрат; малое число часов работы в году; жесткая зависимость от погодко-климатических условий. Возможные пути повышения эффективности и конкурентоспособности нетрадиционных энергоустановок с возобновляемым источником энергии - более полное использование высокого потенциала солнечной анергии и комбинирование солнечных установок с традиционными электростанциями.

Проведенный анализ солнечных и комбинированных солнечно-топливных электростанций и характеристик термохимических систем (ТХС) позволил сформулировать задачи исследования и обосновать принципиально возможные типы солнечных установок с термохимическим преобразованием энергии:

- термохимические солнечные электростанции, продуктом которых является электроэнергия, а термохимические методы используются для аккумулирования солнечной энергии;

- термохимические солнечные теплоэлектроцентрали дальнего теплоснабжения, в которых солнечная энергия в химически связанном виде транспортируется на дальние расстояния; .......

- термохимические солнечные энерготехнологические установки, в которых производится электрическая энергия и технологический продукт;

- комбинированные солнечно-топливные электростанции и энергокомплексы.

Для повышения эффективности процессов преобразования энергии в солнечных установках обоснован выбор процессов, которые по температурному потенциалу близки к потенциалу энергии, получаемому на солнечных батареях (реакторах). Такими процессами являются термохимические процессы получения синтетических топлив (синтез-газа, метанола) при каталитической паровой конверсии природного газа или газификации угля, получение водорода как энергоносителя на основе термохимического разложения воды и т.д.

Преобразуя солнечную энергию в. химически связанную энергию энергоносителей или химических соединений можно, во-первых, запасать энергию на практически любое время, во-вторых, транспортировать энергоносители на значительные расстояния и, в-третьих, при необходимости выработки электроэнергии получать теплоту нгшболее выгодного потенциала для паросиловых установок.

Некоторые разработанные схемы солнечных установок с термохимическим преобразованием энергии (ТХПЭ), использующих ТХС

СН4, ^ СО + Н3 СО + Н2 ¡5 СН3ОН

представлены на рис.3.

Подписи к рисунку 3: 1 - гелиоконвертор; 2 - парогенератор на продуктах конверсии; 3 - паровая турбина; 4 - смеситель СН4 и Н20; 5 - регенеративные подогреватели; 6 -огневые парогенераторы; 7 - технологический комплекс синтеза метанола; 8 - хранилища; 9 - разделители; 10 - огневой конвертор; 11 - аппарат разложения метанола.

В диссертации разработаны семейства тепловых схем и циклов солнечных энергоустановок с ТХПЭ, обоснованы их преимущества, указаны особенности, определены условия применения. Проведены исследования по возможности применения солнечных прудов, использующих низкопотенциальные термохимические системы (абсорбционные пары) для производства тепловой и электрической энергии и возможности комбинирования энергоустановки с солнечным прудом с традиционными электростанциями. Предложена с обоснованием эффективности энергоустановка, совместно использующая солнечный пруд и вторичные энергоресурсы.

Исследование циклов и схем ТХСЭС потребовало математического моделирования основных технологических процессов и аппаратов устано-

Hf , ск4

yL з -0—

5/1

СН(

-СМ

а

н-д

1И-

СО.н^сн^о.ссу

3

4

п

нэ

к3,со;ска,ну>,соа)

17

-и-

в>

г<>

-zJ\

77 Гснзон(сна,н2,со, сн</-а\ |<Г h Ж. CDj.HjO) " I - . .-I

ш.

27 i

-м-

8/"[СНзОН (кондеясм^

Н3,СО, СЦ,

Рво.З. Прняцнпяалдес« схвмя ТХСЭС

к

-о

-о*

-р СЖЯТРЗ-ГЯ8 В CBCT^Wry

ч

-©

¿г ф

-V

ГТ

to о

вок. Моделированы процессы паровой, пароуглекислотной, углекислотой конверсии природного газа (с использованием математической модели В.П.Кравченко) и синтеза метанола. Разработаны различные конструкции гелиоконвертора (конверсионная труба, трубки Фильда, двойной кольцевой зазор). Рекомендованы оптимальные конструкции и параметры элементов гелиоконвертора.

Метод определения термодинамической эффективности сложных многоцелевых энергетических установок, выпускающих разнородную продукцию изложеп выше. Предлагаемая система относительных показателей эффективности как для отдельно взятого процесса (энергетического и технологического), так и для всей многоцелевой энергоустановки может быть использована и для солнечных энергоустановок с ТХПЭ. Термодинамическая эффективность производства энергетической и технологической продукции для ТХСЭС и комбинированных установок может определяться по выражениям, аналогичным (4) и (7). Эффективность установки в целом определяется по выражениям, аналогичным (5) и (8). Особенностью их использования для нетрадиционных установок является правильная запись знаменателей соответствующих соотношений, учитывающих затраты первичной энергии на создание и эксплуатацию установки.

Для оценки термодинамической эффективности нетрадиционных солнечных энергоустановок и комбинированных солнечно-топливных установок предлагается эксергетический коэффициент:

m

---, (15)

где: Э - выработанная электроэнергия; Eq - эксергия отпущенной потребителю теплоты; Еци - эксергия i-ro вида технологического продукта; Qc - энергия поступившая от солнца; Е-га - эксергия i-ro вида потребленного топлива (технологического сырья); tc=1-T0/Tj -эксергетическая функция; Т0 - температура окружающей среды; Tj -максимальная температура, достигаемая в фокусе гелиоконвертора; а - доля строительных затрат эксергии на амортизацию, текущий ремонт, прочие расходы в течение всего срока эксплуатации установки, которая может быть приравнена к аналогичной доле отчислений от капитальных затрат в технико-экономических расчетах; Еу - эксергия, затраченная на создание установки.

Отличие выражения (15) от других показателей для получения термодинамического совершенства энергоустановок в том, что оно является интегральным, отнесенным к какому-то определенному интервалу времени работы энергоустановки. Эту его особенность определяет последний член знаменателя, в котором величина эксергии, затраченной на сооружение установки Ет, должна быть отнесена к какому-то времени (часу, суткам и т.д.).

Термодинамические исследования ТХС.ЭС позволили получить область энергетических и технологических параметров, при которых достигается максимальная термодинамическая эффективность. Для схем ТХСЭС энергетический показатель, рассчитанный по (15), составил 0,400,42, а для энерготехнологических солнечных энергоустановок, отпускающих потребителю технологический продукт - 0,54-0,56.

Эффективность энерготехнологических установок оказывается более высокой за счет того, что часть солнечной энергии аккумулируется в конечном технологическом продукте, выдаваемом потребителю.

В целом, использование термохимических методов преобразования и аккумулирования энергии на солнечных электростанциях позволяет повысить их термодинамическую эффективность, осуществить круглосуточную работу, выдавать максимальную электрическую мощность во время пиков нагрузки, в энергосистеме.

Проведен критический анализ существующих методов термоэкономического исследования энергоустановок: СУЗЭКС Е.И.Янтовского и развитого Г.П.Верхивкером, который учел системные факторы и затраты первичной энергии на создание замыкающих энергоустановок, метод ЭТЭ-оптимизации В.М.Бродянского. На основании анализа сделан вывод, чтс термоэкономические исследования нетрадиционных энергоустановок использующих термохимические методы преобразования энергии должнь учитываь три основных особенности:

1. Совместную выработку разнородных видов продукции: энергети ческой (электрическая и тепловая энергия); вторичных энергоносителе! (синтез-газ, метанол); неэиергетических видов продукции.

2. Определение общих затрат первичной энергии на создание уст&нс вок и текущих затрат энергии за весь период ее эксплуатации.

3. Неравноценность производства пиковой, базовой и провально электроэнергии.

Обобщенный показатель термоэкономической эффективности может быть определен как отношение суммы всех видов получаемой полезной продукции, выраженных в единой форме:

эл„ = (16)

к полным затратам первичной энергии:

эмтр -Е* + с.Еэк с+ (17)

/=1 /=1 1 У=1 ' ' У=1

где - затраты 1-го топлива на строительство и эксплуатацию

установки; в® тр- затраты 1-го материала (включая оборудование) на сооружение установки^®* с- затраты 1-го материала при эксплуатации установки; в® - затраты 1-го вида технологического сырья; 0°р - выработка ¡-го вида полезного продукта; W -произведенная электроэнергия; Е; - эксергетический показатель (эквивалент).

Показатель термоэкономической эффективности энергоустановки в соответствии с (16) и (17) в данном случае можно записать как: „___ЗбОО-Ыэ-^-Тз^_

хт v ,, ч 3600-N, 1,-x2-f

Na • L'b.go, •(!+«) +-Г л—— —

Лт ИЛИ

■(<->■«») Л'1

In = \ 3M0-T,-T2-t + n ij '

где N, - электрическая мощность СЭС ; х1 и т2 - соответственно часовая продолжительность работы установки в сутки на мощности N3 и среднегодовая в сутках, t - число лет работы установки; gM - удельный расход i-ro материала на создание установки, кг/кВт; q 3i - удельный расход первичной энергии на получение 1 кг i-ro материала; а -суммарный коэффициент, учитывающий затраты энергии, связанные с текущими и капитальными ремонтами оборудования; т]т - КПД ТЭС.

Термоэкономическая эффективность энерготехнологических ТХСЭС рассчитывается аналогично (18) с учетом эксергии отпускаемых потребителям энергоресурсов (технологических продуктов):

_ (3600 ■ N 4- й - е -<- Ет) • • г, • 1; + 3600 - К,,, • гд • г, • 1; • К

где N. и И.п - мощность, вырабатывая ТХСЭС во время солнечного дня и в пиковый период соответственно; - количество и удельная эксергия отпускаемого потребителю энергоресурса (газа или метанола); Е? -эксергия отпускаемой потребителю теплоты; 0с - тепловая мощность гелиоконвертора; К - коэффициент учитывающий увеличенную эксергетическую ценность пиковой электроэнергии; тп - число часог работы установки в сутки на пиковой мощности.

При проведении сопоставительного термоэкономического анализ« схем ТХСЭС рассмотрены две принципиально возможных ситуации:

- ТХСЭС работает изолировано от других источников энергии;

- ТХСЭС работает в энергосистеме.

В первом случае создание ТХСЭС безусловно целесообразнее, чеп СЕЮ, ибо позволяет одновременно с выработкой электроэнергии запасат; энергию в химически связанном виде и использовать ее для выработю электроэнергии при отсутствии или пониженных значениях инсоляции т.е. обеспечить отслеживание графика электрической нагрузки изолирс ванного региона. Кроме того, ТХСЭС позволяет проводить обогащени природного газа (например получать восстановительный газ) и испол* зовать его затем для неэнергетических целей.

Во втором случае работа ТХСЭС позволяет экономить органическс топливо, сжигаемое на ТЗС и затем также использовать его для выработк пиковой энергии. Так как получение химически связанной энергии в ТХСЭС и ее хранение сопряжено с определенными потерями и затратам! то в этом случае обычная СЭС априори целесообразнее ТХСЭС. йсклв чение составляет вариант сочетания СЭС и АЭС, либо энергосистем! испытывающие значительный дефицит мощности. Тогда применен! ТХСЭС может обеспечить как базовую, так и пиковую мощности. Кро» того, для стабильной работы СЭС или ТХСЭС необходимо на них, непосредственной близости от турбогенератора, установить дополнител ный парогенератор, работающий на жидком или газообразном тошшв включающийся в работу при снижении или отсутствии инсоляции.

Проведенные исследования показали, что ТХСЭС значителы эффективнее обычных ТЭС с энергетической точки зрения. ТХС1 целесообразнее СЭС при работе в изолированных энергосистемах, либо энергосистемах, испытывающих значительный дефицит мощности, ли

включающих АЭС и ТЭС большой мощности, вынуждено работающих в пиковой и полупиковой части ¡рафика нагрузки. В обычных энергосистемах целесообразны более простые СЭС.

В этой части диссертационной работы также обоснованы условия целесообразности использования теплоэлектропроизводящих установок с солнечным прудом. Получены критерии энергетической и термоэкономической целесообразности использования энергоустановок с солнечным прудом и комбинированных установок с солнечным прудом и утилизацией вторичных энергоресурсов.

В целом, проведенные исследования и разработки, выдвинутые научные положения и методы, полученные результаты позволили решить поставленные задачи, определенные целью работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны новые типы и классы энергетических и знерготехнолопгческих установок, использующих энергосберегающие технологии, предложены «основы построения рациональных схем и циклов таких энергоустановок, выбора оптимальных технолопгческих процессов и их сочетания с параметрами энергоисточников, развиты методы энергетического и термоэкономического анализов, определены наивыгоднейшие параметры работы энергоустановок.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие основные выводы.

1. Энерготехнологические установки различных типов: с высокотемпературными ядерными реакторами, использующими в качестве технологического сырья твердое либо газообразное топливо и выполненные по различным схемам; солнечные термодинамические электростанции, в том числе комбинированные солнечно-топливные, использующие термохимические методы преобразования энергии; энергоустановки с солнечным прудом и использованием ВЭР привлекают внимание исследователей -теплоэнергетиков как перспективные установки, позволяющие расширить возможности применения ядерной и солнечной энергии, повысить экономичность вырабатываемой электрической, тепловой энергии, сократить расход органического топлива, необходимого для производства технологического (неэнергетического) продукта, заменив его ядерным либо нетрадиционным - солнечным энергоисточником, в ряде случаев уменьшить удельные капиталовложения в сооружение и эксплуатацию энергоустановок.

2. В связи с созданием высокотемпературных газоохлалсдаемых реакторов возникает возможность использования анергии теплонисителя в области температур 700-1000 °С для осуществления различных химико-технологических процессов, что позволит резко сократить потребление органических топлив в различных отраслях промышленности: металлургической, химической, азотной и др. Такие комбинированные установки могут иметь высокие показатели тепловой экономичности (»}„ ■= 0,6 - 0,7) и, » зависимости от стоимости высокотемпературного ядерного реактора -приемлемые капитальные вложения.

3. Предложен новый класс энергетических установок - термохимических солнечных электростанций, включающих энерготехнологические и комбинированные солнечно-топливные установки, которые дают возможность более эффективного использования располагаемого температурного потенциала солнечной энергии. Обоснованы условия, схемы и параметры, при которых нетрадиционные установки становятся конкурентоспособными с традиционными энергоустановками на органическом топливе.

4. Разработанные принципы конструирования тепловых схем и комбинирования установок, выбора циклов и технологических процессов, методы определения оптимальных комплексов параметров, анализ влияния различных факторов могут быть приняты в качестве основы теории комбинированных энерготехнологических и энергетических установок.

5. При разработке методов расчета и оптимизации процессов, происходящих в многоцелевых энерготехнологических установках различных

■ типов выполнены дополнительные необходимые исследования и получены результаты:

а) Для проведения термодинамического анализа тепловых схем многоцелевых энерготехнологических установок развит эксергетический метод исследования. Введены понятия теплового и эксергетического эквивалентов производства неэнергетических видов продукции. На их основе рекомендованы системы относительных коэффициентов, оценивающих эффективность использования теплоты и эксергии в тепловых схемах и технологических процессах, проведены термодинамические исследования и указаны пути совершенствования установок.

б) Предлагаются термодинамические основы и рациональные схемы организации основных технологических процессов. Проведены расчеты состава и термодинамических параметров совместных процессов газификации твердых топлив и восстановления железа в кипящем слое.

в) Разработана методика термоэкономического исследования энерготехнологических установок различных типов, которая оценивает затраты на создание и эксплуатацию установок, определяет термоэкономическую эффективность как установок в целом, так и отдельных частей.

г) Получены критерии, позволяющие на яредпроектной стадии оценить энергетическую и термс-экономическую целесообразность использования нетрадиционных теплогенерирующих систем.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

Монография

1. Дубковський В.О., Лалшов В.М. Деят загальш властивосп термо-динам1чних процесгв: Мопограф1я.- К.: 1СД0, 1995.- 112 с.

Статьи в научних изданиях

2. Верхивкер Г.П., Дубковский В.А., Максимов М.В. О замыкающих затратах эксергии на топливо и теплоту//Изв. вузов. Сер. Энергетика- 1990,- №12.- С. 136-90.

3. Верхивкер Г.П., Дубковский В.А. Использование солнечной энергии и ВЭР для получения тепловой и электрической энергии//Пром. энергетика.- 1990.- № 6.- С. 2-4.

4. Верхивкер Г.П., Дубковский В.А., Кравченко В.П., Максимов М.В., Майсян Н.Г. Термодинамический анализ абсорбционных систем передачи теплоты//Изв. вузов. Сер. Энергетика.- 195)1,- № 9- С. 75-80.

5. Дубковский В.А., Верхивкер Г.П. О целесообразности использования микроТЭЦ для бытового теплоспабжения//Промышленная энергетика,-1992,- № 3,- С. 41-43.

6. Дубковский В.А. Использование вторичных энергоресурсов при помощи абсорбционных систем транспорта теплоты//Тр. Одес. политехи, ун-та.- 1997.- Вып. 1.- С. 190-192.

7. Дубковский В.А. Комбинированные энергоустановки с солнечным прудом// Тр. Одес. политехи, ун-та.- 1997.- Вып. 1.- С. 203-205.

8. Дубковский В.А. Рациональные процессы и цикл атомных энерготехнологических установок. Прадншровський науковий вкшик. Сер.: Ма-шинобудування та техн^чш науки. № 36(103), кв1тень 1998.- С. 12-15.

9. Дубковский В.А., Чулкин O.A. Сопоставительный анализ различных способов теплоснабжения. Прадншровський науковий BicniiK. Сер.: Ма-шинобудування та техв1чт науки. Ма 36(103), квзтеиь 1998.- С. 16-18.

10. Дубковский В.А. Оценка эффективности преобразования энергии многоцелевых энергоустановках. Прщншровський науковий в!сни Сер.: Машияобудуаанвя та техшчт науки. № 14(81), лютий 1998.21-25.

11. Дубковский В.А. Термоэкономический ы:етод исследования атомнь энерготехнологических установок. Прщншровський науковий nictin Сер.: Машиаобудування та техшчш науки. № 26(93), березень 199* С. 17-20.

12. Дубковский В.А. Метод оценки эффективности использования тепло! в энерготехнологических установках. Прщншровський науков! BiciniK. Сер.: Машинобудування та техшчш науки. № 26(93), березе; 1998.- С. 21-25.

Авторские свидетельства по теме диссертации

13. Водоаммиачная пиковая энергетическая установка: A.c. 137304 СССР, МКИ Р 01 К 25/10/ Верхивкер Г.П., Дубковский В./ Кравченко В.П., Максимов М.В., Столяревский А.Д., Федотов И.. (СССР)- 4 с..: ил.

14. Комбинированная установка для производства энергии и метанол A.c. 1429666, СССР, МКИ F 03 G 7/02/. Дубковский В.А., Верхивк Г.П., Берченко М.А., Ахмедов Р.Б., Кравченко В.П. (СССР)- 4 е.: ил.

15. Солнечная энерготехнологическая установка: A.c. 1468085, ССС МКИ F 01 1С 13/00/. Дубковский В.А., Верхивкер Г.П., Верчен М.А., Кравченко В.П., Мисюк A.A. (СССР)- 4 е.: ил.

16. Солнечная электростанция: A.c. 1471758, СССР, МКИ F 24 J 2/0( Дубковский В.А., Верхивкер Г.П., Берченко М.А., Аидрющенко A.I Дубинин А.Б., Кравченко В.П. (СССР)- 4 е.: ил.

17. Солнечная электростанция: A.c. 1383922, СССР, МКИ F 24 J 4/(Х Дубковский В.А., Верхивкер Г.П., Берченко М.А., Ахмедов Р.] Кравченко В.П. (СССР)- 4 е.: ил.

18. Устройство для преобразования солнечной энергии: A.c. 16692£ СССР, МКИ F 24 J 2/42/. Дубковский В.А., Верхивкер Г.1

' Максимов М.В., Ахмедов Р.Б., Кравченко В.П. (СССР)- 6 е.: ил.

19. Способ работы солнечного пруда: A.c. 1719810, СССР, МКИ F J2/34/. Дубковский В-А., Верхивкер Г.П., Максимов М.В. (СССР)- 5 ил.

20. Солнечная электростанция: A.c. 1556176, СССР, МКИ F 01 К 13/01 Дубковский В.А., Верхивкер Г.П., Пфлугбайль Й.К. (СССР)- 4 е.: ил

Дубковский В.А. Энерготехнологическое использование нетрадиционных и атомных энергоустановок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена теоретическим исследованиям энерготехнологического использования атомных и нетрадиционных энергоустановок, основам и принципам построения рациональных тепловых схем, циклов и процессов многоцелевых комбинированных энергоустановок с различными источниками энергии (20 научных работ, 1 монография, 8 авторских свидетельств). Разработанные принципы конструирования тепловых схем и комбинирования установок, выбора циклов и технологических процессов, методы анализа и определения оптимальных параметров могут быть приняты в качестве основы теории многоцелевых комбинированных энерготехнологических и энергетических установок.

Ключевые слова: энерготехнэлопгческие установки, тепловые схемы, цикл, нетрадиционные энергоустановки, анализ, технологический процесс.

Dubkovsky V.A. The basic technologic application of non-traditional and nuclear power plants. - Manuscript.

Thesis seeking a doctor's degree in the speciality 05.14.04 - Industrial thermoenergetics. - Odessa State Polytechnical University, 1998.

The dissertation is devoted to theoretical investigations of the thechnological application nuclear and non-traditional power plants. Principles and foundations of rational heat schemes, cycles and technology processes of multipurpose combinative power plants with different, sources of energy have been developed (20 scientific publications, 1 monograph, 8 patents). The principles of heat schemes and combine installations, cycles choise and technology processes design, methods of analysis and optimal parameters definition that can be taken as a theoretical basis of multipurpose combinative technological and power plants have been worked out.

Key words: technological installations, heat schemes, cycle, non-traditional power stations, analysis, technological process.

Дубковський В.О. Енерготехнологачне використання нетрадицшних та атомних еиергоустановок. - Рукопис.

Дисертавдя на здобуття наукового ступени доктора техшчних наук за спещальнлстю 05.14.04 - Промислова теплоенергетика. - Одеський держав-ний полиехшчний ушверситет, Одеса, 1998.

Дисертацио присвячено теоретичним дослвдженням енерготехноло-ттаиого використання атомиих та нетрадицшних еиергоустановок, основам та принципам будування ращональних теплових схем, циклов та процесш бататощльових комбшованих еиергоустановок з разними джерелами енергИ (20 наукових пргць, 1 монограф1я, 8 анторських свадоцтв). Розроб-леш принципи конструювалня теплових схем 1 комбшованих установок, вибору циклов та технолопчних процемв, метода анал1за та визначення оптимальних параметру! можуть бути пришит як основи теорп бататощльових комбшованих енерготехнолопчних та енергетичних установок.

Ключов1 слова: енерготехнолопчт установки, тепповг схеми, цикл, нетрадицшш енергоустановки, анал1з, технолопчний процес.