автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Исследование эффективности схем бестопливных установок генерации электроэнергии на основе детандер-генераторных агрегатов и тепловых насосов

На правах рукописи

БАЙДАКОВА ЮЛИЯ ОЛЕГОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ БЕСТОПЛИВНЫХ УСТАНОВОК ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

Москва-2013

005536460

005536460

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Агабабов Владимир Сергеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированных систем управления тепловыми процессами» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Аракелян Эдик Койрунович

кандидат технических наук, заведующий Физико-техническим отделением ОАО «ВТИ» Туркин Анатолий Васильевич

Ведущая организация: ООО «ВНИПИэнергопром»

Защита диссертации состоится «14» ноября 2013 г. в 14 час. 00 мин. в МАЗе ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» на заседании диссертационного совета Д.212.157.14 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250 г. Москва, Красноказарменная ул., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «. » СЖ72ЩЭ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.П. Зверьков

Актуальность темы исследования определяется развитием высокоэффективных энергосберегающих технологий, являющимся на сегодняшний день задачей государственной важности. Это объясняется, в основном, значительно более высокой (в 3 - 4 раза) энергоемкостью промышленного и сельскохозяйственного производства, нерачительными затратами энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве, приводящим к разбазариванию природных запасов страны, излишним затратам общественного труда. Принятый в ноябре 2009 года Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», последовавшие за ним подзаконные акты определяют основные направления деятельности научных и производственных организаций, в том числе и в развитии энергосберегающих технологий.

Одной из энергосберегающих технологий производства электроэнергии является детандер-генераторная технология, основанная на применении на станциях технологического понижения давления газа в системах газоснабжения, на предприятиях, использующих в качестве топлива природный газ, детандер-генераторных агрегатов (ДГА), высокая энергетическая эффективность которых получила практическое подтверждение.

В рамках данной работы проведен сопоставительный анализ термодинамической и технико-экономической эффективностей модернизированных и предложенных впервые схем установок бестопливной генерации электроэнергии на базе одно- и многоступенчатых ДГА с термопреобразователями парокомпрессионного и воздушного типов.

Степень разработанности темы исследования

Для выбранных при выполнении исследования условий и критериев оценки эффективности тема исследования разработана достаточно широко и глубоко. Так, рассмотрены наиболее часто применяемые на практике ДГА с одно- и двухступенчатыми детандерами. Принималось, что подогрев газа перед детандерами рассматриваемых установок производится за счет теплоты, низкий температурный потенциал которой повышается с применением теплонасосных установок различных принципов действия - парокомпресси-онных и воздушных - как наиболее подходящих для этих целей в бестопливных ДГА. Наличие нескольких возможностей реализации детандер-генераторной технологии позволило поставить и решить задачи определения их термодинамических и технико-экономических преимуществ и недостатков, сравнительного анализа различных технических решений, определения условий, при которых следует рекомендовать к реализации то или иное техническое решение, что определяет глубину разработанности темы исследования.

Дели и задачи исследования

Целью работы является исследование способов совершенствования энергетических систем и комплексов, направленных на повышение их термодинамической и технико-экономической эффективностей и снижение вредного воздействия на окружающую среду.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать схемы установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ различных типов.

2. Разработать методику определения эффективности схем установок бестопливной генерации электроэнергии.

3. Выполнить сравнение термодинамической эффективности схем установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ различных типов с применением разработанной методики.

4. Провести оценку экономической эффективности установок.

5. Разработать рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.

Для реализации задач исследования необходимы:

- проведение аналитического обзора современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему бестопливной генерации электроэнергии;

- обоснование критериев оценки эффективности схем установок;

- разработка математических моделей вновь создаваемых и модернизируемых схем установок;

- разработка алгоритмов расчета критерия термодинамической эффективности на основе предложенных математических моделей;

- проведение исследований термодинамической эффективности схем установок;

- определение экономической эффективности инвестиций в строительство установок бестопливной генерации электроэнергии.

Научная новизна работы

1. Разработана методика определения эффективности и алгоритм расчета установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ.

2. Проведен сравнительный анализ влияния типов ДГА и ТНУ, параметров транспортируемого газа и термодинамических свойств применяемых хладагентов на термодинамическую эффективность установок.

3. Проведена оценка экономической эффективности инвестиций в строительство наиболее перспективных установок.

4. Разработаны рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.

Теоретическая значимость работы обоснована тем, что разработанная методика позволит определять влияние параметров процессов на термодинамическую эффективность установок и научно обосновывать выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.

Практическая значимость работы определена разработанными двумя новыми схемами установок на основе ДГА и ТНУ, которые позволят создавать высокоэффективные бестопливные установки для энергоснабжения потребителей, а также возможностью определения термодинамической эф-

фективности установок с применением разработанной методики и проведенными исследованиями технико-экономической эффективности установок при различных схемных решениях, позволяющими выбрать оптимальный вариант.

Методология и методы исследования при выполнении данного исследования применены общенаучные теоретические методы исследования. Теоретические методы, использованные в работе: анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, системный анализ.

Положения, выносимые на защиту:

- схемы бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- методика определения эффективности схем установок;

- математические модели бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- алгоритмы расчета зависимости принятого критерия термодинамической эффективности от параметров процессов при заданном режиме работы бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- полученные при проведении исследования результаты сравнительного анализа термодинамической эффективности бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- полученные при проведении исследования результаты оценки технико-экономической эффективности бестохшивных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.

Степень достоверности результатов исследования подтверждена корректным использованием методов термодинамического и технико-экономического анализов, применением современного программного комплекса для определения термодинамических свойств веществ.

Апробация результатов

Результаты работы были представлены на XI международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2010», март 2010 г., г. Ухта, на Пятой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», октябрь 2010 г., г. Москва, на Научно-технической конференции УГТУ, апрель 2012 г., г. Ухта, на Шестой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», октябрь 2012 г., г. Москва, на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVII Бенардосовские чтения) 29-31 мая 2013 г., г.

Иваново, на IV Международной научной конференции "European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches" 7 July 2013, Stuttgart, Germany.

Основное содержание работы изложено в 15-ти публикациях, в том числе в семи статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК и описании двух патентов на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и списка литературы. Текст диссертации изложен на 155 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 17 таблиц.

Во введении обоснована актуальность проблемы применения энергосберегающих технологий, в частности, детандер-генераторной технологии. Показаны принципиальные термодинамические преимущества ДГА по сравнению с традиционно применяемыми для производства электроэнергии установками. Здесь же определены цели и задачи исследования, степень разработанности темы исследования, научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимости, применяемые методология и методы исследования, положения, выносимые на защиту, обоснованы степень достоверности полученных результатов, приведены сведения об апробации результатов исследования.

В первой главе на основе анализа литературных источников описана история развития и сущность детандер-генераторной технологии, проведен анализ публикаций, как в странах Западной Европы (в основном - в Германии), так и в России, материалов в области научных исследований и опыта эксплуатации детандер-генераторных агрегатов и теплонасосных установок (ТНУ) как основных составных частей объекта исследования.

Рассмотрены различные конструктивные исполнения детандеров, приведены различные варианты систем подогрева газа в ДГА, в том числе и принципиальная схема бестопливной электрогенерирующей установки на базе ДГА и ТНУ, приводится описание теплонасосных установок различных принципов действия - парокомпрессионных (ГГГНУ) и воздушных (ВТНУ), рассмотрены различные хладагенты, нашедшие применение в ПТНУ.

Определены объект и предмет исследования, исследовательские средства, необходимые для решения задачи, обоснованы критерии оценки эффективности схем установок - доля выработанной ДГА электроэнергии, отдаваемая потребителю, и технико-экономические показатели работы установок, определены этапы проведения исследования.

Во второй главе рассмотрена природа объекта исследования, разработаны структурные и технологические схемы установок четырех типов: 1) с одноступенчатым ДГА и ПТНУ; 2) с двухступенчатым ДГА и ПТНУ; 3) с одноступенчатым ДГА и ВТНУ; 4) с двухступенчатым ДГА и ВТНУ. Приводится также описание функционирования структурных и технологических схем.

Так, на рисунке 1 приведена одна из рассмотренных в работе структурная схема установки бестопливной генерации электроэнергии на базе двух-

ступенчатого детандер-генераторного агрегата и воздушных тепловых насосов.

1 - газопровод высокого давления; 2 - дросселирующее устройство; 3 - газопровод низкого давления; 4 - линия подачи воздуха на установку трансформации теплоты первой ступени детандер-генераторного агрегата; 5 -установка трансформации теплоты первой ступени детандер-генераторного агрегата; 6 - линия подачи теплоты высокого температурного потенциала на первую ступень детандер-генераторного агрегата; 7 - линия подачи газа высокого давления на первую ступень детандер-генераторного агрегата; 8 - первая ступень детандер-генераторного агрегата; 9 - линия отвода воздуха от установки трансформации теплоты первой ступени детандер-генераторного агрегата; 10 - линия подачи части выработанной первой ступенью детандер-генераторного агрегата электроэнергии на установку трансформации теплоты; 11 - электроэнергия, выработанная первой ступенью детандер-генераторного агрегата; 12 - линия подачи части выработанной первой ступенью детандер-генераторного агрегата электроэнергии в сеть; 13 - линия подачи газа от первой ступени детандер-генераторного агрегата во вторую ступень детандер-генераторного агрегата; 14 - линия подачи теплоты низкого температурного потенциала на установку трансформации теплоты второй ступени детандер-генераторного агрегата; 15 - установка трансформации теплоты второй ступени детандер-генераторного агрегата; 16 - линия подачи теплоты высокого температурного потенциала на вторую ступень детандер-генераторного агрегата; 17 - линия подачи газа от второй ступени детандер-генераторного агрегата в газопровод низкого давления; 18 - вторая ступень детандер-генераторного агрегата; 19 - линия отвода воздуха от установки трансформации теплоты второй ступени детандер-генераторного агрегата; 20 - линия подачи части выработанной второй ступенью детандер-генераторного агрегата электроэнергии на установку трансформации теплоты; 21 - электроэнергия, выработанная второй ступенью детандер-генераторного агрегата; 22 - линия подачи части выработанной второй ступенью детандер-генераторного агрегата электроэнергии в сеть; 23 - общая линия подачи выработанной первой и второй ступенями детандер-генераторного агрегата электроэнергии в сеть.

Рисунок 1 - Структурная схема установки бестопливной генерации электроэнергии на базе двухступенчатого ДГА и ВТНУ

В работе рассмотрены также основные положения теории функционирования для исследуемых установок: внутренние и внешние входящие и выходящие материальные и энергетические потоки, их взаимозависимости, связь бестопливных установок генерации энергии с факторами внешней среды и т.д.

На базе структурных схем и положений теории функционирования в диссертации разработаны функциональные схемы установок. Так, на рисунке 2 приведена технологическая схема установки бестопливной генерации электроэнергии на базе двухступенчатого детандер-генераторного агрегата и воздушных тепловых насосов.

ни; 4 - дроссель; 5 - электродвигатель компрессора воздушной ТНУ; 6 - линия подачи электроэнергии к электродвигателю компрессора первой воздушной ТНУ;7 -линия подачи электроэнергии во внешнюю сеть от генератора первой ступени детандера; 8 - вход воздуха в компрессор воздушной ТНУ; 9 - компрессор первой воздушной ТНУ;10 - турбина первой воздушной ТНУ; 11 - линия отвода воздуха от воздушной ТНУ; 12 - газопровод высокого давления; 13 - газопровод низкого давления; 14 - генератор второй ступени детандера; 15 - теплообменник подогрева газа второй ступени; 16 - электродвигатель привода компрессора воздушной ТНУ; 17 - компрессор второй воздушной ТНУ; 18 - турбина второй воздушной ТНУ; 19 - выход воздуха из турбины второй воздушной ТНУ; 20 - вход воздуха в компрессор второй воздушной ТНУ; 21 - линия подачи электроэнергии к электродвигателю компрессора второй ТНУ; 22 - линия подачи электроэнергии во внешнюю сеть от генератора второй ступени детандера; 23 - вторая ступень детандера, 24 - линия отвода электроэнергии от генератора первой ступени; 25 - линия отвода электроэнергии от генератора второй ступени.

Рисунок 2 - Технологическая схема установки бестопливной генерации электроэнергии на базе двухступенчатого ДГА и ВТНУ

Разработанные технологические схемы послужили основой для создания их математических моделей.

Третья глава посвящена разработке математических моделей объектов исследования и алгоритмов расчета параметров работы установок.

При разработке математических моделей в качестве параметров процессов рассматривались: расход транспортируемого газа; давление газа на входе и выходе станции технологического понижения давления; температура газа на входе на станцию технологического понижения давления; температура наружного воздуха; температура воды в водоеме - источнике теплоты низкого потенциала для ПТНУ.

Были приняты следующие ограничения: давление газа на выходе со станции технологического понижения давления задается по условиям эксплуатации; энтальпия газа на выходе из ДГА равна энтальпии газа на входе в теплообменник подогрева газа; температура газа после детандера 1:г > - 10°С; для двухступенчатых установок температура газа на входе в детандер первой ступени равна температуре газа на входе в детандер второй ступени, а также условия: температурные напоры на входе и выходе теплообменников задаются в качестве условий расчета; потери давления теплоносителей и рабочих тел в теплообменниках и трубопроводах малы; потребление электроэнергии насосами не учитывается; нагрев теплоносителей в насосах не учитывается; коэффициенты, учитывающие потери энергии во всех теплообменниках, одинаковы; процесс дросселирования в дросселирующем устройстве тепло-насосной установки адиабатический; схема движения теплоносителей в теплообменниках противоточная; транспортируемый газ — чистый метан.

В систему уравнений, являющейся составной частью математической модели, для каждой из рассматриваемых схем входили общеизвестные уравнения теплового баланса, зависимости для определения мощности и т.п. Система уравнений в автореферате не приводится - все уравнения присутствуют в приведенном ниже описании алгоритма расчета.

В качестве примера ниже приводится алгоритм расчета для бестопливной установки генерации электроэнергии на базе двухступенчатого детандер-генераторного агрегата и воздушных теплонасосных установок. Принятая для разработки модели схема установки представлена на рисунке 2. Курсивом на рисунке обозначены точки, параметры процессов в которых использованы при построении математической модели. Основными элементами объекта моделирования являются: двухступенчатый детандер-генераторный агрегат, включающий в себя детандер 1 первой ступени с электрогенератором 2 и детандер 23 второй ступени с электрогенератором 14; воздушная те-плонасосная установка подогрева газа перед детандером первой ступени, включающая в себя компрессор 9 с электродвигателем 5 для его привода, теплообменник 3 и воздушную турбину 10, трубопроводы 8 и 11 подачи и отвода воздуха; воздушная теплонасосная установка для подогрева газа перед детандером второй ступени, включающая в себя компрессор 17 с электродвигателем 16, теплообменник 15, воздушную турбину 18, трубопроводы 20 и 19 подачи и отвода воздуха, газопроводы 12 и 13 высокого и низкого давления.

Алгоритм расчета:

1. Определяется температура воздуха на выходе из ДГА второй ступени по известным энтальпии и давлению: = /(Рц,Лз)-

2. Определяется оптимальное промежуточное давление между сту-

к _

пенями детандера: p?pt = (71° '!о12 )2(<:~ц • при принятых условиях

V TV/oil / yj Сдр

Oio = ?7oil = r\oi2, сДр= 1) оптимальное давление определяется из выражения vlpt = Jp4 • Рц.

3. Определятся температура газа на входе в детандер второй ступени: 7\0 = ■ • ((рп/рю)" - i) + l]; коэффициент z10 в первом

приближении задается равным zn, затем расчет температуры газа на выходе из ДГА ведется методом последовательных приближений.

4. Определяется (задается) температура газа на входе в ДГА первой ступени:

Та ~ Т10.

5. Определяется температура газа на выходе из первой ступени ДГА: Т5 = Т4 • g • [ты • ((р5/р4)^ - l) + l].

6. Определяется мощность, вырабатываемая ДГА: Л/дГД = N2 + N14

N2=Gr-^-Rr-T4-z4-(l-• tJqi • rhM.

= GT • ¿j • йг • Г10 • z10 • (l - ■ Vol ■

7. Определяются энтальпии газа на входе и выходе теплообменников подогрева газа: h= f(t,p).

8. Определяется теплота, необходимая для подогрева газа в теплообменнике перед первой ступенью ДГА: Q3 = Gr • (ft4 — k3).

9. Определяется теплота, необходимая для подогрева газа перед второй ступенью ДГА: Q15 = Gr * (h10 — ks).

10. Определяется температура воздуха на выходе из компрессора ВТНУ-1 в реальном процессе: t7 = t4 +

11. Определяется температура воздуха на выходе из компрессора ВТНУ в идеальном процессе, пренебрегая изменением изобарной теплоемкости срГ7ид = (7V - Г6) • Vet + Т6.

12. Определяется давление воздуха на выходе из компрессора первой

ТНУ :Р7=Рб.(^У'-\

13. Определяется температура воздуха на выходе из теплообменника подогрева газа ВТНУ-1: t8 = t3 + S2.

14. Определяется температура воздуха на выходе из воздушной турбины ВТНУ-1 в идеальном процессе: Т^ = —где р7 = р8, рэ — р6.

(ЩЪг Vp (,'

15. Определяется температура воздуха на выходе из воздушной турбины ВТНУ-1 в реальном процессе: Тэ = Т8 — (Тд — Г9ИД) • jjoi.

16. Определяются энтальпии воздуха во всех точках цикла ВТНУ -1:

h = f(.t,p).

17. Определяется расход воздуха в контуре ВТНУ-1: GB = ———.

18. Определяется мощность, необходимая для привода компрессора ВНТУ-1; Ns =

VdM

19. Определяется мощность, вырабатываемая турбиной ВТНУ-1: Nw = GB • (Tt14 - his) • 7]эм.

20. Определяется мощность, потребляемая ВТНУ-1 от ДГА:

N6 = Ns-N10.

21. Определяется температура воздуха на выходе из компрессора ВТНУ-2 в реальном процессе: t13 = t10 + S3.

22. Определяется температура воздуха на выходе из компрессора ВТНУ-2 в идеальном процессе, пренебрегая изменением теплоемкости ср:

Т?з* = (Т13-Т12)-ч01+Т12.

23. Определяется давление воздуха на выходе из компрессора ВТНУ-

ке

24. Определяется температура воздуха на выходе из теплообменника подогрева газа перед второй ступенью ДГА: t14 = ts + 54.

25. Определяется температура воздуха на выходе из воздушной турбины ВТНУ-2 в идеальном процессе: = —г"в-1, где р13 = р14, р15 = р12.

Ч>12'

26. Определяется температура воздуха на выходе из воздушной турбины ВТНУ-2 в реальном процессе: Г15 = Г14 - (Т14 - T*f) • г)о1.

27. Определяется энтальпия воздуха во всех точках цикла ВТНУ-2:

h=f(t,p).

28. Определяется расход воздуха в контуре BTHy-2:GB = --—.

(ftl3-fti4)-7JTO

29. Определяется мощность необходимая для привода компрессора

ВТНУ-2: N16 = fr-fr»-*»*.

Vbvi

30. Определяется мощность, вырабатываемая воздушной турбиной ВТНУ-2: Nia = GB ■ (ft14 - fc15) • 17эм.

31. Определяется мощность, потребляемая ВТНУ-2 от ДГА:

n21 = N16-N18.

32. Определяется доля электроэнергии, выдаваемой во внешнюю электросеть от установки: а = —-.

Разработанные математические модели и алгоритмы расчета использованы далее для анализа эффективности работы установок.

В четвертой главе с помощью разработанных в главе 3 математических моделей были проведены расчеты для установок бестопливной генерации электроэнергии. При этом в установках с парокомпрессионными ТНУ в

качестве рабочих тел рассматривались хладагент Ш34а (с переохлаждением конденсата и без него) и перспективный хладагент СОг-

По результатам расчетов было проведено термодинамическое сравнение схем для одноступенчатых ДГА с парокомпрессионными и воздушными ТНУ для подогрева газа. Критерием определения эффективности являлась доля выработанной ДГА электроэнергии, отдаваемая во внешнюю электросеть.

При проведении расчетов были приняты следующие условия: источником низкопотенциальной теплоты для парокомпрессионного теплового насоса является вода с параметрами окружающей среды, на вход воздушного теплового насоса подается воздух с параметрами окружающей среды; температура окружающей среды изменяется в диапазоне от +0 до +20°С; теплота, которую необходимо передать газу с помощью воздушного или парокомпрессионного теплового насоса, одна и та же.

Исходные данные, принятые для расчета: расход газа Ог = 10,6 кг/с; давления на входе и выходе станции технологического понижения давления р/р5 = 0,8/0,2 МПа, 1,0/0,2 МПа, 1,2/0,2 МПа; газ подогревается от температуры окружающей среды до температуры, обеспечивающей энтальпию на выходе из установки, равную энтальпии на входе; внутренний "относительный КПД компрессора и детандера - 0,85; электромеханический КПД генератора и двигателя компрессора - 0,95.

Для воздушной ТНУ: разность температур между газом на выходе и воздухом на входе теплообменника воздушной ТНУ 51 = 5 °С; разность температур между газом на входе и воздухом на выходе из теплообменника воздушной ТНУ 62 = 10 °С.

Для парокомпрессионных ТНУ: температура хладагента на входе в конденсатор ТНУ выше температуры газа на выходе из него на 5] = 5°С; температура хладагента на выходе из конденсатора ТНУ выше температуры газа на входе в него на 62=10°С (для ТНУ, работающих на К-134а с переохлаждением конденсата и на СОг); температура испарения ниже температуры теплоносителя, поступающего от НИТ, на 83 = 10°С.

На рисунке 3 представлены сопоставительные диаграммы зависимости доли электроэнергии, выдаваемой в сеть, для одно- и двухступенчатых схем от температуры подогрева газа для различных соотношений давлений газа на входе и выходе станции технологического понижения давления, также от типа используемого трансформатора теплоты: а) установки с ПТНУ, работающими на Ш34а без переохлаждения конденсата; б) установки с ПТНУ, работающими на Ш34а с переохлаждением конденсата; в) установки с ПТНУ, работающими на СОг; г) установки с ВТНУ.

Ж,

>

35,00 55,00 75,00 95,00 115,00 135,00

Температура подогрева газа перед ДГА, °С

—>2сг.1Я34а0,8/0,2МПа......2 ст. Ю 34а 1,0/0,2 МПа = =• = 2 ст. Ш34а 1,2/0,2 МПа

1 ст. Ш34а 0,8/0,2 МПа 1 ст. 1Ш4а 1,0/0,2 МПа <=С="=* I ст. 11134а 1,2/0,2 МПа

0,85

I

ш

? 0,80 ?

й I

§ 0,75

а я

Е

I" 0,70 н 0,65

I

0,60

35,00 45,00 55,00 65,00 75,00 85,00 95,00 105,00 115,00 125,00 135,00 Температура подогрева газа перед ДГА, "С

— 2 ст. 1Ш4аПО 0,8/0,2 МПа ......2 ст. М34аПО 1,0/0,2 МПа

•=> = 2 ст. ЯН4аПО 1,2/0,2 МПа —*—> 1 ег. Л134аПО 0,8/0,2 МПа —■*»— 1 сг. 1Ш4аПО 1,0/0,2 МПа ==©=» 1 ст. М34аПО 1,2/0,2 МПа

=» < -

>=<3

с

б)

35,00 45,00 55,00 65,00 75,00 85,00 95,00 105,00 115,00 125,00 135,00 Температура лодоірева газа перед ДГА, °С

——— 2 ст. С02 0,8/0,2 МПа ■••••• 2 ст. С02 1,0/0,2 МПа — =• 2 сг. С02 1,2/0,2 МПа —1 сг. С02 0,8/0,2 МПа =гк= 1 ст. С02 1,0/0,2 МПа =о=> 1 ст. С02 1,2/0,2 МПа

0,40 І 0,38 0,36

1 0,34 I 0,32

I 0,30

I 0,28

ет

& 0,26

І 0,24

І 0,22 С£

0,20

35,00 45,00 55,00 65,00 75,00 85,00 95,00 105,00 115,00 125,00 135,00 Температура подогрева газа перед ДГА, °С

-—2 ст. ВТНУ 0,8/0,2МПа-..... 2 ст. ВТНУ 1,0/0,2МПа= 2 ст. ВТНУ 1,2/0,2МПа

и 1 сг. ВТНУ 0,8/0,2 МПа —**= 1 ст. ВТНУ 1,0/0,2 МПа <=3= 1 сг. ВТНУ 1,2/0,2 МПа

1)

Є

' • • • •

Г)

Рисунок 3 - Зависимость доли электроэнергии, выдаваемой в сеть, от температуры подогрева газа для одно- и двухступенчатых установок, различных соотношений давлений на входе и выходе из ДГА и парокомпрессион-ных ТНУ, работающих на: хладагенте Ю34а без переохлаждения конденсата (а) и с переохлаждением конденсата (б), С02 (в), а также ВТНУ (г)

Анализ результатов расчетов показал: доля электроэнергии, выдаваемой в сеть (а), с повышением температуры подогрева газа снижается для всех типов ТНУ в независимости от количества ступеней ДГА; а при исполь-

зовании Ш НУ для подогрева газа перед ДГА у двухступенчатых схем выше, чем у одноступенчатых; а при использовании ВТНУ для подогрева газа выше у одноступенчатых схем; чем ниже давление газа на входе станции технологического понижения давления, тем выше а, для всех рассматриваемых схем ДГА и типов ТНУ; максимальная а из всех рассматриваемых схем соответствует двухступенчатой ДГА с ГГГОУ, работающей на С02; минимальная а из всех рассматриваемых схем, соответствует одноступенчатой ДГА с ПТНУ, работающей на Ш34а без переохлаждения конденсата, однако такая схема неработоспособна при температуре подогрева газа выше 104°С при соотношении давлений на входе и выходе 1,2/0,2 МПа и 107°С при соотношении давлений 1,0/0,2 МПа из-за невозможности организации цикла ТНУ, связанной со свойствами хладагента.

Таким образом, сопоставительный анализ термодинамической эффективности одно- и двухступенчатых ДГА показал: мощность, вырабатываемая одноступенчатыми ДГА, при одинаковых соотношениях давлений на входе и выходе и заданных условиях расчета выше, чем двухступенчатых; а при использовании двухступенчатых ДГА с ПТНУ, выше, чем при использовании одноступенчатых; а при использовании одноступенчатых ДГА с ВТНУ, выше, чем при использовании двухступенчатых; наиболее выгодным преобразователем теплоты с точки зрения выбранного критерия оценки термодинамической эффективности для подогрева газа перед одно- и двухступенчатыми ДГА в рассматриваемых условиях является ПТНУ, работающая на СО2.

В пятой главе проведено технико-экономическое сопоставление одно-и двухступенчатых ДГА с 111 НУ, работающими на СОг, и одноступенчатой ДГА с ВТНУ.

Расчет технико-экономических показателей работы установки проводился в соответствии с общепринятой методикой для соотношения давления на входе и выходе станции технологического понижения давлений 0,8/0,2 МПа. Рассматривалось два случая использования установки. В первом случае электроэнергия, невостребованная ТНУ, продается сторонним потребителям, а во втором - используется на собственные нужды, заменяя полностью или частично покупную электроэнергию. Было также рассмотрено влияние автоматизации установки и количества обслуживающего персонала на показатели эффективности инвестиций.

Исходные данные, принятые для расчета: начало расчетного периода -1 января 2013 года; срок службы оборудования — 20 лет; длительность проектных, монтажных и пусконаладочных работ - 1 год; затраты на монтажные и пуско-наладочные работы, дополнительное оборудование, КИП — 25% от общей стоимости установки; затраты на извлечение тепла низкого температурного потенциала для ПТНУ и хладагент- 20% от стоимости установки; затраты на автоматизацию установки — 20% от общей стоимости основного оборудования; непредвиденные расходы - 3% от стоимости установки; ставка дисконтирования — 8,25%.

Расчет стоимости оборудования производился по удельным показателям: удельная стоимость установленной мощности ДГА -18 030 руб./кВт

(600 $/кВт); удельная стоимость установленной мощности ГГГНУ -12 108 руб./кВт (300 €/кВт); удельная стоимость установленной мощности ВТНУ -12 915руб./кВт (320 €/кВт).

Численность обслуживающего персонала принималась: для неавтоматизированной установки с ПТНУ - 13 человек; для автоматизированной установки с ПТНУ - 7 человек; для неавтоматизированной установки с ВТНУ -9 человек; для автоматизированной установки с ВТНУ - 6 человек.

Годовое число часов работы оборудования — 8000 ч.

Анализ показателей эффективности инвестиций показал, что все предлагаемые установки пригодны к внедрению при условии замены покупной электроэнергии, электроэнергией, вырабатываемой установкой. Сроки окупаемости установок находятся в диапазоне от 2-х (двухступенчатая ДГА с парокомпрессионными преобразователями теплоты) до 5 лет (одноступенчатого ДГА и воздушной ТНУ).

Отмечено, что применение бестопливных установок генерации энергии сокращают эмиссию оксидов азота и COj в атмосферу.

Оценка эффективности инвестиций в строительство бестопливных установок на базе одно- и двухступенчатых ДГА показала, что в рассматриваемых условиях наиболее предпочтительной является установка н'а базе двухступенчатой ДГА и парокомпрессионных ТНУ, работающих на С02, как при продаже электроэнергии, так и при замене покупной электроэнергии. Однако при условии сложности извлечения теплоты низкого потенциала для парокомпрессионных ТНУ, в случае замены покупной электроэнергии, электроэнергией, невостребованной ТНУ, возможно также и применение одноступенчатой ДГА с ВТНУ. Особенно актуально применение ВТНУ может быть на объектах малой энергетики при недостатке высококвалифицированного персонала, необходимого для эксплуатации парокомпрессионных ТНУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ:

1. Разработаны структурные и технологические схемы установок бестопливной генерации электроэнергии, включающих в себя детандер-генераторные агрегаты и тепловые насосы парокомпрессионного и воздушного типов. Описаны принципы работы установок.

2. Разработана методика определения эффективности схем установок бестопливной генерации электроэнергии.

3. Сравнительный анализ термодинамической эффективности схем установок показал:

- доля выдаваемой в сеть электроэнергии:

• для установок с парокомпрессионными ТНУ и двухступенчатыми ДГА, выше, чем с одноступенчатыми ДГА;

• для установок с воздушными ТНУ и одноступенчатыми ДГА, выше, чем с двухступенчатыми ДГА;

• для установок с парокомпрессионными ТНУ, работающими на С02 и R134a с переохлаждением конденсата, выше, чем для установок с воздушными и парокомпрессионными ТНУ, работающими на R134a без переохлаждения конденсата, независимо от количества ступеней ДГА;

• снижается с ростом давления и температуры газа на входе станции технологического понижения давления;

- самыми высокими показателями термодинамической эффективности среди рассмотренных вариантов при заданных условиях обладают двухступенчатые установки с парокомпрессионными ТНУ, работающими на СОг, у которых доля электроэнергии, выдаваемой в сеть, в зависимости от температуры и давления находится в диапазоне 0,79 - 0,85;

- самыми низкими показателями термодинамической эффективности среди рассмотренных вариантов обладают одноступенчатые установки с парокомпрессионными ТНУ, работающими на И. 134а без переохлаждения конденсата, у которых при приближении температуры конденсации хладагента к критической температуре доля электроэнергии, выдаваемой в сеть, в зависимости от температуры и давления находится в диапазоне 0,17-0,50.

4. Оценка экономической эффективности инвестиций в строительство наиболее перспективных установок показала, что при существующих условиях на рынке электроэнергии в России:

- при условии продажи электроэнергии, вырабатываемой установкой, дисконтированный срок окупаемости составляет: от 7,8 до 17,5 лет, при этом неавтоматизированная установка с одноступенчатым ДГА и воздушной ТНУ не окупается;

- при условии замещения покупной электроэнергии, электроэнергией, вырабатываемой установкой, дисконтированный срок окупаемости при прочих равных условиях составляет: от 2,3 до 5,1 года.

5. Разработаны рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы установки при внедрении.

Таким образом, задачи исследования решены, цель достигнута: проведены исследования, направленные на совершенствование энергетических систем и комплексов с повышением термодинамической и технико-экономической эффективностей и снижением вредного воздействия на окружающую среду.

Перспективы дальнейшей разработки темы:

- анализ работы установок при совместном производстве теплоты и холода;

- исследование влияния применение других хладагентов на показатели термодинамической и технико-экономической эффективностей;

- исследование влияния подогрева газа до и после детандера на показатели термодинамической и технико-экономической эффективностей;

- анализ работы установок при иных начальных условиях процессов, происходящих в детандерах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1 Байдакова, Ю.О. О возможности применения разностного метода эксергетического анализа для определения эффективности внедрения энергосберегающего мероприятия / B.C. Агабабов, Ю.О. Байдакова, У.И. Зенкина, А.О. Захарова // Энергосбережение и водоподготовка,—2009.-№ 5 (61). - С. 63-65.

2 Детандер-генераторная установка: пат. 88781 Рос. Федерация: МПК F25B 11/02/ Агабабов B.C., Байдакова Ю.О., Зенкина У.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)». - № 2009127053/22; заявл. 16.07.2009; опубл. 20.11.2009, Бюл. №32. - 4 е.: ил.

3 Байдакова, Ю.О. Повышение эффективности работы бестопливной установки для производства электроэнергии за счет использования ветроэнергетической установки / B.C. Агабабов, Ю.О. Байдакова, П.А. Костюченко // Энергосбережение и водоподготовка-2010. - №4 (66). - С. 22-27.

4 Байдакова, Ю.О. Повышение эффективности работы бестопливной установки для производства электроэнергии за счет использования ветроэнергетической установки / Ю.О. Байдакова, У.И. Смирнова // XI международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2010»: материалы конференции (17-19 марта 2010 г., Ухта): в 5ч.; ч. 5-Ухта: УГТУ, 2010. -С.342-346.

5 Байдакова, Ю.О. Анализ влияния подведенной теплоты возобновляемого источника энергии на работу бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса / Ю.О. Байдакова, П.А. Костюченко // Энергосбережение - теория и практика: труды Пятой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов (18-22 октября 2010 г., Москва). - С. 353-356.

6 Байдакова, Ю.О. Анализ влияния параметров работы бестопливной энергогенерирующей установки на ее эффективность / B.C. Агабабов, Ю.О. Байдакова, П.А. Костюченко // Энергосбережение и водоподготовка. - 2011. -№1(69). - С.71-73

7 Байдакова, Ю.О. Зависимость для определения эффективности электрогенерирующей бестоплнвной установки на базе двухступенчатого детандер-генераторного агрегата с тепловыми насосами / B.C. Агабабов, Ю.О. Байдакова, A.A. Рогова, A.A. Коршикова // Энергосбережение и водоподготовка.-2012. - №3(77). - С. 53-56

8 Теплонасосная установка для теплохладоснабжения: пат. 117590 Рос. Федерация: МПК F25B 29/00/ Агабабов B.C., Рогова A.A., Смирнова У.И., Байдакова Ю.О.; заявитель и патетообладатель ООО «Интехэнерго-инжиниринг». - № 2012105137/06; заявл. 15.02.2012; опубл. 27.06.2012, Бюл. №18. - 4 е.: ил.

9 Байдакова, Ю.О. Бестопливные установки для совместного производства электроэнергии, теплоты и холода / B.C. Агабабов, Ю.О. Байдакова, A.A. Рогова, И.П. Ильина // Энергосбережение и водоподготовка. - 2012. - №4(78). - С.66-69.

10 Байдакова, Ю.О. Повышение эффективности работы тригенераци-онной установки за счет применения частотно-регулируемого привода / Ю.О. Байдакова, А.А. Рогова, А.А. Коршикова // Энергосбережение в промышленности: материалы Всерос. науч. - практ. конф. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2012. - 154 е., с. 56-58

11 Байдакова, Ю.О. Получение зависимости для определения термодинамической эффективности электрогенерирующей бестопливной установки на базе двухступенчатого детандер-генераторного агрегата с парокомпресси-онными тепловыми насосами / Ю.О. Байдакова // Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (17-20 апреля г.): в 3 ч. IV под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2012. - 382 с: ил.

12 Байдакова, Ю.О. Сравнение воздушного и парокомпрессионного тепловых насосов / Ю.О. Байдакова, В. С. Агабабов // Энергосбережение - теория и практика: труды Шестой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов (2012 г., Москва). - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. -С.171-173.

13 Байдакова, Ю.О. Математическое описание схем бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых детандер-генераторных агрегатов и теплонасосных установок парокомпрессионного и воздушного типов / Ю. О. Байдакова, B.C. Агабабов // Энергосбережение и водоподготовка. - 2013. - №1(81). - С. 39-43.

14 Байдакова, Ю.О. Оценка показателей эффективности инвестиций в строительство бестопливных установок генерации электроэнергии на базе детандер-генераторных агрегатов и теплонасосных установок парокомпрессионного и воздушного типов / Ю. О. Байдакова, B.C. Агабабов, Н.И. Тимошенко // Энергосбережение и водоподготовка. - 2013. -№3 (83). — С.63-65.

15 Yulia, Baydakova. Analysis of the thermodynamic efficiency of the fuel-free installation of power generation on the basis of a two-stage expandergenerator set and heat pump systems // 4th International Scientific Conference "European Applied Sciences: modem approaches in scientific researches ": Papers of the 4th International Scientific Conference. July 8-9, 2013, Stuttgart, Germany -P.78-80

Подписано в печать О&'Ю'ЛО&Г Зак.Лб£тир. П.Л.1М"

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

Открытое акционерное общество «Всероссийский дважды Ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт»

(ОАО «ВТИ»)

На правах рукописи

04¿и!363763

Байдакова Юлия Олеговна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ БЕСТОПЛИВНЫХ УСТАНОВОК ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н. профессор В.С. Агабабов

Москва - 2013

Оглавление

Введение.................................................................................................................5

1 Обзор основных литературных источников, посвященных тематике исследования. Объект и предмет исследования, исследовательские средства, необходимые для решения задачи. Этапы проведения исследования.....................13

1.1 Детандер-генераторная технология.............................................................13

1.2 Теплонасосные установки............................................................................27

1.3 Объект исследования....................................................................................29

1.4 Предмет исследования..................................................................................29

1.5 Исследовательские средства, необходимые для решения задачи............30

1.6 Этапы проведения исследования.................................................................31

2 Природа и теория функционирования объекта исследования - схем установок бестопливной генерации электроэнергии на базе детандер -генераторных агрегатов и тепловых насосов. Разработка технологических схем установок........................................................................................................................34

2.1 Установка с одноступенчатым детандер-генераторным агрегатом и теплонасосной установкой парокомпрессионного типа...........................................37

2.1.1 Структурная схема установки...................................................................37

2.1.2 Технологическая схема установки............................................................41

2.2 Установка с двухступенчатым детандер-генераторным агрегатом и теплонасосной установкой парокомпрессионного типа...........................................44

2.2.1 Структурная схема установки...................................................................44

2.2.2 Технологическая схема установки............................................................49

2.3 Установка с одноступенчатым детандер-генераторным агрегатом и воздушной теплонасосной установкой........................................................................53

2.3.1 Структурная схема установки...................................................................53

2.3.2 Технологическая схема установки............................................................57

2.4 Установка с двухступенчатым детандер-генераторным агрегатом и воздушной теплонасосной установкой........................................................................59

2.4.1 Структурная схема.....................................................................................59

2.4.2 Технологическая схема..............................................................................65

3 Разработка математических моделей и алгоритмов расчета параметров работы установок...........................................................................................................70

3.1 Математическая модель установки с одноступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ........................................................................................72

3.2 Алгоритм расчета параметров установки с одноступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ........................................................................................74

3.3 Математическая модель установки с многоступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ........................................................................................76

3.4 Алгоритм расчета установки с многоступенчатыми ДГА и парокомпрессионными ТНУ........................................................................................80

3.5 Математическая модель установки с одноступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ..........................................................................................................83

3.6 Алгоритм расчета установки с одноступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ.................................................................................................................................85

3.7 Математическая модель установки с многоступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ..........................................................................................................86

3.4.4 Алгоритм расчета установки. с многоступенчатыми ДГА и воздушными ТНУ..........................................................................................................90

4 Термодинамический анализ схем бестопливных установок для генерации электроэнергии и теплоты различных температурных потенциалов.......................94

4.1 Термодинамический анализ бестопливных установок на базе одноступенчатых ДГА с парокомпрессионными и воздушными ТНУ для подогрева газа................................................................................................................94

4.2 Термодинамический анализ бестопливных установок на базе двухступенчатых ДГА с парокомпрессионными и воздушными ТНУ для

подогрева газа..............................................................................................................107

4.3 Сопоставительный анализ термодинамической эффективности бестопливных установок на базе одно- и двухступенчатых ДГА..........................121

5 Технико-экономическая оценка эффективности инвестиций в строительство установок бестопливной генерации электроэнергии на базе ДГА и ТНУ...............................................................................................................................129

Заключение.........................................................................................................144

Список сокращений...........................................................................................146

Список литературы............................................................................................147

Введение

Актуальность темы исследования определяется развитием высокоэффективных энергосберегающих технологий, являющимся на сегодняшний день задачей государственной важности. Это объясняется, в основном, значительно более высокой (в 3 - 4 раза) энергоемкостью промышленного и сельскохозяйственного производства, нерачительными затратами энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве, приводящим к разбазариванию природных запасов страны, излишним затратам общественного труда. Принятый в ноябре 2009 года Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», последовавшие за ним подзаконные акты определяют основные направления деятельности научных и производственных организаций, в том числе и в развитии энергосберегающих технологий.

Одной из энергосберегающих технологий производства электроэнергии является детандер-генераторная технология, основанная на применении на станциях технологического понижения давления газа в системах газоснабжения, на предприятиях, использующих в качестве топлива природный газ, детандер-генераторных агрегатов (ДГА), высокая энергетическая эффективность которых нашла практическое подтверждение.

Детандер-генераторные агрегаты могут использоваться в газовой промышленности на газораспределительных станциях (ГРС), а также на компрессорных станциях (КС), в газорегуляторных пунктах (ГРП) всех промышленных предприятий - крупных потребителей газа. В связи с исторически сложившейся высокой степенью газификации промышленного и энергетического производства в России, потенциал энергосбережения при внедрении ДГА достаточно высок.

В ходе выполнения работы в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (соглашение на предоставление гранта от 17 августа 2012 г. № 14.Ш2.21.0665) «Разработка нормативов удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для котельных установок ТЭС» было показано, что разработка и внедрение в российскую энергетику ДГА может внести значительный вклад в решение проблем энергосбережения на ТЭС, сжигающих газообразное топливо. Энергосбережение, в свою очередь, дает значительный эффект в области снижения негативного воздействия тепловой энергетики на окружающую среду. Особенно большое влияние внедрение ДГА может оказать на сокращение выбросов в атмосферу оксидов азота (МЭХ) и углекислого газа (СОг).

Загазованность атмосферы оксидами азота в последние годы значительно возросла из-за увеличения количества автотранспорта и поэтому сокращение выбросов оксидов азота от ТЭС является актуальной задачей.

Сокращение выбросов парниковых газов, основным поставщиком которого является тепловая энергетика, и, к которым, в первую очередь, относится СО2, является одним из индикаторов, определенных в энергетической стратегии России на период до 2020 г. Таким образом, сокращение выбросов оксидов азота и углекислого газа является весьма актуальной задачей.

Потенциал ДГА для внедрения в российской энергетике значительный. ТЭС России сжигают ~ 187,0 млн. тут газа в год, газ составляет ~ 70 % в структуре топливного баланса тепловых электростанций и котельных. Экономия топлива на 0,5-1,2 %, которую могут обеспечить ДГА, в целом по тепловой энергетике может составить от 0,93 до 2,2 млн. тут в год. При этом сокращение выбросов С02 будет составлять от 1,5 до 3,5 млн. т.

Сокращение выбросов оксидов азота будет тем значительней, чем больше удельный выброс М)х (кг/тут) на конкретной ТЭС. Например, экономия на одну тонну условного топлива на Псковской ГРЭС позволит сократить выбросы оксидов азота ~ на 1,85 кг, а на Ставропольской ГРЭС ~ на 3,95 кг. Сокращение выбросов оксидов азота может составить сотни тонн в год.

Высокая энергетическая эффективность ДГА как отдельного устройства объясняется, в первую очередь, тем, что составная часть ДГА - детандер - не является тепловой машиной, так как, несмотря на то, что в нем происходит преобразование внутренней энергии в механическую работу, в основе его действия не лежит циклический процесс, как этого требует классическое определение тепловой машины [1].

Следует также учитывать, что детандер-генераторный агрегат как устройство для преобразования энергии имеет ряд существенных особенностей. Так, с одной стороны, существуют устройства, преобразующие высокопотенциальную энергию, выделяющуюся при сжигании топлива, в другой вид, например, электрическую (энергетический блок ТЭС). Для обеспечения работы таких установок низкопотенциальная энергия вторичных энергетических ресурсов или возобновляемых источников энергии использована быть не может. С другой стороны, существуют также и устройства, для обеспечения работы которых не требуется сжигания топлива, и используется только лишь низкопотенциальная энергия вторичных энергетических ресурсов или возобновляемых источников энергии (например, солнечные электростанции). Детандер-генераторные агрегаты представляют собой устройства, для обеспечения работы которых могут быть порознь или одновременно использованы как энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, так и вторичные энергетические ресурсы низкого потенциала или возобновляемые источники энергии. Поэтому при определении энергетической эффективности должны рассматриваться с одной стороны совершенство ДГА как отдельного устройства для производства электрической энергии (а также, в случае необходимости, и производства теплоты или холода) с учетом полноты использования теплосодержания направляемого на сжигание газового потока, и с другой стороны - степень использования низкопотенциальной энергии при организации подогрева газа в ДГА. Очевидно, что чем больше доля низкопотенциальной энергии при организации работы ДГА, тем выше его энергетическая эффективность. В том случае, когда для подогрева газа в ДГА

используется только лишь теплота низкого температурного потенциала (энергия вторичных энергетических ресурсов или окружающей среды), можно говорить о «бестопливной электроэнергии», вырабатываемой детандер-генераторным агрегатом [1].

В рамках данной работы проведен сопоставительный анализ термодинамической и технико-экономической эффективностей

модернизированных и предложенных впервые схем установок бестопливной генерации электроэнергии на базе одно- и многоступенчатых ДГА с преобразователями теплоты парокомпрессионного и воздушного типов.

Степень разработанности темы исследования.

Для выбранных при выполнении исследования условиях и критериях оценки эффективности тема исследования разработана достаточно широко и глубоко. Так, рассмотрены наиболее часто применяемые на практике ДГА с одно-и двухступенчатыми детандерами. Принималось, что подогрев газа перед детандерами рассматриваемых установок производится за счет теплоты, низкий температурный потенциал которой повышается с применением теплонасосных установок различных принципов действия - парокомпрессионных и воздушных как наиболее подходящих для этих целей в бестопливных ДГА [2, 3]. Наличие нескольких возможностей реализации детандер-генераторной технологии позволило поставить и решить задачи определения их термодинамических и технико-экономических преимуществ и недостатков, сравнительного анализа различных технических решений, определения условий, при которых следует рекомендовать к реализации то или иное техническое решение, что определяет глубину разработанности темы исследования.

Цели и задачи исследования:

Целью работы является исследование способов совершенствования энергетических систем и комплексов, направленных на повышение их термодинамической и технико-экономической эффективностей и снижение вредного воздействия на окружающую среду.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать схемы установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ различных типов.

2. Разработать методику определения эффективности схем установок бестопливной генерации электроэнергии.

3. Выполнить сравнение термодинамической эффективности схем установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ различных типов с применением разработанной методики.

4. Провести оценку экономической эффективности установок.

5. Разработать рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.

Для реализации задач исследования необходимы:

- проведение аналитического обзора современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему бестопливной генерации электроэнергии;

- обоснование критериев оценки эффективности схем установок;

- разработка математических моделей вновь создаваемых и модернизируемых схем установок;

- разработка алгоритмов расчета критерия термодинамической эффективности на основе предложенных математических моделей;

- проведение исследований термодинамической эффективности схем установок;

- определение экономической эффективности инвестиций в строительство установок бестопливной генерации электроэнергии.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика определения эффективности и алгоритм расчета установок бестопливной генерации электроэнергии на основе ДГА и ТНУ.

2. Проведен сравнительный анализ влияния типов ДГА и ТНУ, параметров транспортируемого газа и термодинамических свойств применяемых хладагентов на термодинамическую эффективность установок.

3. Проведена оценка экономической эффективности инвестиций в строительство наиболее перспективных установок.

4. Разработаны рекомендации, направленные на выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.

Теоретическая значимость работы обоснована тем, что разработанная методика позволит определять влияние параметров процессов на термодинамическую эффективность установок и научно обосновывать выбор оптимального варианта схемы при внедрении установки.

Практическая значимость работы определена разработанными двумя новыми схемами установок на основе ДГА и ТНУ, которые позволят создавать высокоэффективные бестопливные установки для энергоснабжения потребителей, а также возможностью определения термодинамической эффективности установок с применением разработанной методики и проведенными исследованиями технико-экономической эффективности установок при различных схемных решениях, позволяющими выбрать оптимальный вариант.

Методология и методы исследования:

При выполнении данного исследования применены общенаучные теоретические методы исследования.

Теоретические методы, использованные в работе:

- анализ;

- синтез;

- абстрагирование;

- моделирование;

- системный анализ.

Положения, выносимые на защиту:

- схемы бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- методика определения эффективности схем установок;

- математические модели бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно- и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- алгоритмы расчета зависимости принятого критерия термодинамической эффективности от параметров процессов при заданном режиме работы бестопливных установок генерации электроэнергии на базе одно-и двухступенчатых ДГА и ТНУ парокомпрессионного и воздушного типов;

- полученные при проведении исследования результаты сравнительного анализа термодин�