автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Определение эффективности применения биогаза в когенерационных энергогенерирующих установках

На правах рукописи

СМИРНОВА УЛЬЯНА ИВАНОВНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОГАЗА В КОГЕНЕРАЦИОННЫХ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 АП? Ш

005020310

Москва, 2012 год

005020310

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» Национального исследовательского университета Московского энергетического института

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Агабабов Владимир Сергеевич.

Официальные оппоненты: Охотин Виталий Сергеевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт», профессор каф. Теоретических основ теплотехники им. М.П. Вукаловича

Марченко Евгений Михайлович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени B.C. Черномырдина», профессор каф. Теплоэнергетических установок

Ведущая организация: ООО «ВНИПИЭнергопром»

Защита диссертации состоится « 19 » апреля 2012 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории Б-205 НИУ МЭИ на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при Национальном исследовательском университете Московском энергетическом институте по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета Московского энергетического института.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет НИУ МЭИ.

Автореферат разослан « {б » ^¿ywo^ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета K.T.H., доцент

Актуальность работы. Проблема энергосбережения, являясь одной из важнейших во всех развитых странах, приобретает особую остроту в России, где энергоресурсы дорожают и используются крайне неэффективно.

Генерация электроэнергии и теплоты на установках, использующих энергию возобновляемых источников, является на сегодняшний день одним из бурно развивающихся направлений развития мировой энергетики. Одним из перспективных направлений производства энергии с использованием возобновляемых источников является получение и дальнейшее использование биогаза. Использование биогаза как топлива возможно как при его сжигании в котлах для производства теплоты в виде пара или жидкого теплоносителя, так и при сжигании в камерах сгорания газотурбинных установок и в цилиндрах газопоршневых агрегатов.

Биогазовые установки могут быть использованы также в сочетании с другими установками для генерации энергии, такими, например, как бестопливные установки на базе детандер-генераторных агрегатов (ДГА) и тепловых насосов, для повышения их эффективности.

Цель работы.

Цель исследования — определение термодинамической эффективности биогазовых установок, а также влияния на неё режимных и конструктивных изменений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1 Проанализировать технические характеристики работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов и получить аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД от их электрической и тепловой мощности.

2 Провести анализ термодинамической эффективности когенерационных биогазовых установок на базе газовой турбины и газопоршневых агрегатов, а также на базе паротурбинной установки с противодавлением, при различных параметрах эксплуатации.

3 Разработать и провести термодинамический анализ схемы бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и установок, использующих возобновляемые источники энергии.

Научная новизна:

- разработана модификация метода эксергетического анализа - метод разности эксергетических КПД;

- получены аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов от электрической и тепловой мощностей;

- получены результаты впервые проведенного с применением метода разности эксергетических КПД сравнительного анализа термодинамической эф-

фективности схем когенерационных биогазовых установок на базе газовой турбины и газопоршневых агрегатов, а также зависимости влияния изменения давлений острого пара и противодавления на изменение эксергетическо-го КПД паротурбинной установки с противодавлением;

- получены результаты впервые проведенного с применением метода разности эксергетических КПД анализа термодинамической эффективности схем установок на базе ДГА, теплонасосной установки и биогазовой установки при различных режимах её работы.

Праісгическая значимость:

- полученные аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии и эксергетического КПД установок от электрической мощности ГПА и КПД по выработке теплоты от тепловой мощности ГПА позволят принимать обоснованные решения о внедрении энергогенерирующих афегатов при развитии энергетических систем и комплексов;

- разработанный метод разности эксергетических КПД позволит упростить термодинамический анализ при определении влияния конструкции и режимных факторов на изменение термодинамической эффективности установок, а полученные с его применением результаты позволят принимать обоснованные решения при выборе агрегатов для энергетических систем и комплексов;

- разработаны и защищены патентами три новые схемы бестопливной установки на базе ДГА, ТНУ и установок, использующих энергию возобновляемых источников.

Автор защищает:

- разработанную модификацию метода эксергетического анализа - метод разности эксергетических КПД;

- аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов от электрической и тепловой мощностей;

- результаты сравнительного анализа термодинамической эффективности схем когенерационных биогазовых установок на базе газовой турбины и газопоршневых агрегатов;

- зависимости влияния изменения давлений острого пара и противодавления на термодинамическую эффективность работы паротурбинной установки с противодавлением;

- результаты термодинамического анализа схем установок на базе ДГА, теплонасосной установки и биогазовой установки при различных режимах её работы.

Личное участие автора в полученных научных результатах: Личный вклад автора заключается:

- в разработке модификации метода эксергетического анализа - метода разности эксергетических КПД;

- в систематизации и обработке исходной информации и в получении аппроксимирующих зависимостей КПД по выработке электроэнергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов от электрической и тепловой мощностей;

- в проведении и получении результатов анализа термодинамической эффективности схем когенерационных биогазовых установок на базе газовой турбины и газопоршневых агрегатов, паротурбинной установки с противодавлением и схем установок на базе ДГА, теплонасосной установки и биогазовой установки;

- в участии в разработке защищенных патентами трех новых схем бестопливных установки на базе ДГА, ТНУ и установок, использующих энергию возобновляемых источников.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждена применением современных методов термодинамического анализа, использованием представительных исходных данных при построении аппроксимирующих зависимостей.

Апробация и публикации. Результаты работы были представлены: Пятнадцатая и Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2009 - 2010 гг.; Неделя науки в Котбусе в институте округа Лаузитц. ФРГ, Котбус, 2009 г.; X международная молодежная конференция "Севергеоэкотех - 2010". Ухта, 2010 г.; Пятая Международная Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». Москва, 2010 г.

Основное содержание работы изложено в 13-ти публикациях, в том числе в ти статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК и описании трех патентов на полезную модель.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Текст диссертации изложен на 168 страницах, включая 50 рисунков и 23 таблицы.

Во введении обоснована актуальность проблемы применения энергосберегающих технологий, а именно использование биогаза как топлива в энергогенерирующих установках для одновременного производства электроэнергии и теплоты. Сформулированы цели работы, показана научная и практическая ценность.

В первой главе, на основе анализа литературных источников, кратко описана история развития и сущность биогазовой технологии, проведен анализ публикаций материалов научных исследований в области биогазовой

технологии, которые проводились как в странах Западной Европы (в основном - в Германии), так и в России.

Здесь представлены также разработанные автором структурная схема и принцип функционирования когенерационной биогазовой установки с производством электроэнергии и теплоты, выбран для проведения исследований эксергетический метод термодинамического анализа для оценки энергетической эффективности, основанный на определении эксергетического КПД установок.

Завершается первая глава определением цели и задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе проводятся исследования газопоршневых агрегатов (ГПА) различной мощности, работающих на биогазе.

В настоящее время в Германии построено около 4200 биогазовых установок, которые производят около 1600 МВт электрической энергии и тепла. Потенциал 2020 года находится на уровне 12000 установок с производительностью 4800 МВт.

Исходными данными для проведения исследования были электрическая и тепловая мощности ГПА, а также КПД по выработке электроэнергии и теплоты на ГПА. Эксергетический КПД рассчитывался по выражению

где Е' и Е" - эксергии потоков на входе и на выходе из установки. На входе ГПА эксергия биогаза Е'БГ (учитывалась только химическая эксергия, так как эксергия потока в рассматриваемых условиях незначительна и ею можно пренебречь), а на выходе - сумма эксергий электроэнергии Е Ц э и теплоты Едгш, которые определяются по следующим выражениям:

где ()ТОШ1 - теплота, полученная при сжигании топлива (биогаза);

Та: - температура окружающей среды, равная 20 °С;

Тжт - температура источника, равная 70 °С.

На рисунках 1 и 2 представлены графики зависимости изменения КПД по выработке электроэнергии т]эл и эксергетического КПД ть,«^,. в диапазонах изменения электрических мощностей Нл ГПА 0-200; 0-2000 и 0-7000 кВт, а на рисунке 3 КПД по выработке теплоты т]ТСШ1 в диапазонах изменения тепловых мощностей (Зтепл ГПА 0-300; 0-2000 и 0-7500 кВт.

Е'бг = 1,04-бголл; Е"Ыэ = = 1)эл • Яюпл;

Е"дт =йтЕПП ■(\-~^) = ПТЕПЛ ■втОПЛ

/ 11/^Т 1 млт

Тист

(2)

(3)

(4)

По результатам расчетов были получены аппроксимирующие уравнения, описывающие зависимости КПД по выработке электроэнергии от электрической мощности ГПА, КПД по выработке теплоты от тепловой мощности ГПА и эксергетического КПД установок от электрической мощности ГПА.

Для КПД по выработке электроэнергии (электрическая мощность ГПА 0-7000 кВт)

ч1л1т = 2,7186 ■ 1п (>1эл) + 2 1,039.

(5)

Для КПД по выработке теплоты (тепловая мощность ГПА 0-7500 кВт) ПтЁплй° = -3,372 • 1п ) + 68,283. (6)

Для эксергетического КПД (электрическая мощность ГПА 0-7000 кВт)

(7)

= 2,1731 • 1п (Ы эл) + 29,482 .

50,0 45,0

140,0

: 35,0 30,0 25,0 20,0

♦ ♦

__:*-- у= 2,71861пМ + 21.039

ИГ'■ ■ У = 2,58711п(ж) + 21,662

Г 5151п(х) +1 7,947

1

--

1000

2000

3000 4О00

Кэ, кВт

5000

6000

7000

Рисунок 1- Зависимость КПД по выработке электроэнергии от электрической мощности установки в диапазонах 0-200; 0-2000 и 0-7000 кВт

70,0

= 60,0 ч

« 50,0

ч

и 40,0

30,0

хи II > '821п(з) + 0,045

■ ■ 1 » ♦ *

II в у = -4,0 >21я(х) + 7 ,864 У" -3^721п(х) + 68Д83

7000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

От,кВт

Рисунок 2 - Зависимость КПД по выработке теплоты от тепловой мощности установки в диапазонах 0-300; 0-2000 и 0-7500 кВт

55,0 .О 50,0 g 45,0

о

Д 40,0 § 35,0 30,0

1000

2000

_. [_ ♦

» y=J ,9631n(x)+ 30,479 У = г^7зии(х) + 29,482 '

у =2,58 llln(x) + 21 ,038

3000 4000 N3, кВт

5000

6000

7000

Рисунок 3 - Зависимость эксергетического КПД от электрической мощности установки в диапазонах 0-200; 0-2000 и 0-7000 кВт

600 700 800 900 1000 1100 N3, кВт

Рисунок 4 - Зависимость КПД по выработке электроэнергии от электрической мощности ГПА установки «Hoogen» в диапазоне от 0 до 1100 кВт

Обработка результатов, позволила определить математическое выражение, описывающее зависимость КПД по выработке электроэнергии от электрической мощности ГПА установки «Hoogen»:

т]эл = 6,127-1п(Рэл) + 2,3312 (8)

В третьей главе разработана и апробирована модификация метода эксергетического анализа - метод разности эксергетических КПД, основанный на определении изменения A rje эксергетического КПД установок, позволяющий упростить термодинамический анализ и сделать более наглядными его результаты при определении влияния конструкции и режимных факторов на изменение термодинамической эффективности установок. Для определения эксергетического КПД rje установки было принято выражение

7.-g. ^

где Z.E' и J.E" - суммы эксергий всех потоков на входе и на выходе установки соответственно.

Изменение эксергетического КПД системы Ат]е определялось как разность между эксергетическими КПД после внесения конструктивных или режимных изменений на изменение эксергетического КПД установок r\ei и до внесения изменений Т]е0.

(Ю)

В результате было получено выражение для определения изменения эксергетического КПД в виде

АЕ'-^АЕ'

Щ+АЕ' к '

где дЕ' и АЕ" - изменения экеергий входа и выхода установки после внесения конструктивных или режимных изменений соответственно; 1Е'0 - сумма экеергий на входе в установку до внесения изменений.

Использование полученного выражения позволяет определить эффективность внесения конструктивных или режимных изменений, рассчитав только эксергетический КПД г)е0 системы, а также определив изменения экеергий входа и выхода, не определяя значение эксергетического КПД системы после внесения изменений в схему или режим работы установки. Кроме того, данный метод эксергетического анализа позволяет определить степень влияния различных параметров процесса на изменение эксергетического КПД.

Предложенный метод позволяет также оценить, будет положительным или отрицательным изменение эксергетического КПД установки после каких-либо изменений ее конструкции или параметров потоков эксергии. Это следует из анализа формулы (11). Анализ проводился при условиях, когда знаменатель положителен.

В работе показано, что когда изменения экеергий входа и выхода оба положительны, то изменение эксергетического КПД будет положительным, когда выполняется неравенство

АЕ"

При отрицательных изменениях экеергий входа и выхода изменение эксергетического КПД будет положительным, когда выполняется неравенство

АЕ"

д!7<77е0. (13)

В тех случаях, когда изменение эксергии входа положительно, а эксергии выхода отрицательна, результат очевидно отрицателен, а когда изменение эксергии входа отрицательно, а эксергии выхода положительна, результат очевидно положителен.

Апробация метода разностей эксергетических КПД была проведена для двух вариантов энергосберегающих мероприятий. В первом варианте рассматривались т.н. режимные мероприятия, при проведении которых изменя-

ются количество и параметры потоков вещества или тепловых потоков, входящих в установку. Во втором варианте рассматривались энергосберегающие мероприятия, связанные с конструктивными усовершенствованиями, при проведении которых количество и параметры потоков на входе в установку не изменяются. В обоих случаях был получен результат, подтверждающий применимость метода.

В четвертой главе проведен сравнительный анализ когенерационных установок на базе ГТУ и ГПА, а также анализ влияния параметров ПТУ на эффективность её работы.

Анализ эффективности работы когенерационных установок на базе ГТУ и ГПА проводился с применением метода разности эксергетичееких КПД, описанного в главе 3. Рассматривался случай конструктивного изменения установки при замене ГТУ на ГПА. КПД по выработке электроэнергии ГТУ принимался равным 0,25, ГПА - 0,3; 0,35; 0,4 и 0,45.

На рисунке 5 приведена зависимость разности эксергетичееких КПД установки Дг)е от КПД по выработке электроэнергии ГПА грэ ГПА при замене ГТУ на ГПА.

^ 0,18 <

С и

<юл$

¡- 0,09 О.

0325 0,35 0375 0,4 0,425 0,45 Т) да ГПА

Рисунок 5 - Зависимость разности эксергетичееких КПД установки от КПД по выработке электроэнергии ГПА при замене ГТУ на ГПА

Эксергетический анализ использующей в качестве топлива биогаз ко-генерационной установки для производства электроэнергии и теплоты на базе паротурбинной установки с противодавлением (типа Р) при различных

давлениях пара до и после турбины проводился также с применением метода разности эксергетических КПД.

На рисунке 6 представлена принципиальная схема установки для получения электроэнергии и теплоть! на базе паротурбинной установки с противодавлением.

1 - паровой котел; 2 - паровая турбина; 3 - генератор; 4 - теплообменник; 5 -теплота потребителю; 6 - насос

Рисунок 6 - Принципиальная схема установки для получения электроэнергии и теплоты на базе паротурбинной установки с противодавлением

Установка рассматривалась как единое целое без разделения на элементы (метод «черного ящика»). В качестве исходных данных для анализа использовались параметры рабочих тел на входе и выходе установки. В установку входит биогаз, используемый в качестве топлива, и воздух, необходимый для сжигания биогаза. Из установки выходит электроэнергия и отработанный пар, а также уходящие газы котла. В связи с тем, что использование теплоты уходящих газов не предполагается, эксергия потока уходящих газов отнесена к потерям.

Рассматривались варианты установки с абсолютным давлением и температурой пара перед турбиной рю 2,1; 2,8 и 3,4 МПа и после турбины рвьгх 0,3; 0,7 и 1,3 МПа и гга = 410 °С и давлением пара после турбины = 0,25; 0,7; 1,6 МПа. «Нулевым» вариантом принималась ПТУ с параметрами пара равными 2,8/1,3; 2,8/0,7; и 2,8/0,3 МПа и эксергетический КПД равен 46,70%; 43,83 % и 39,51 % соответственно.

На рисунках 7 и 8 показаны зависимости изменения эксергетического КПД Дг|е ПТУ при разных абсолютных давлениях пара до и после турбины соответственно.

Анализ рисунков 7 и 8 показывает, что при увеличении давления пара после турбины при постоянном давлении пара перед турбиной изменение эксергетического КПД по абсолютной величине увеличивается, а при увеличе-

нии давления пара перед турбиной при постоянном давлении пара после турбины изменение эксергетического КПД по абсолютной величине уменьшается.

0,02

0,01

0,00

и в

т 5

£ и с.

ш

I

5 -0,01

Й о х

-0,02

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 1 1 2 1 3 1

Давление вара после турбины рвых, МПа -»-рвх=2,1 МПа -»-рвх=2,8 МПа -*-рвх-»Д,4 МПа

Рисунок 7 - Зависимость изменения эксергетического КПД Дт1е ПТУ при разных абсолютных давлениях пара перед турбиной

0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 -0,01

§ -0,02 г>

й -0,03 о

8-0,04 №

-0,05

122 2

3 2

4 2

5 2

6 2

7 2

,8 2

1 3

2 3

3 3

4 3

Давление пара перед турбиной рвх, МПа "♦"РВьи^ОЗ МПа -в-рвых^ОЛ МПа -*-рвых=1.3 МПа

Рисунок 8 - Зависимость изменения эксергетического КПД Ат1е ПТУ при разных абсолютных давлениях пара после турбины

В пятой главе разработаны схемы энергогенерирующих установок на базе детандер-генераторного агрегата, теплонасосной установки и установки, использующей энергию возобновляемых источников энергии.

В работе показано, что в энергогенерирующей бестопливной установке на базе ДГА и ТНУ в системе газоснабжения лишь часть от выработанной генератором ДГА электроэнергии направляется потребителю. Другая ее часть должна быть использована для обеспечения работы ТНУ. Для увеличения доли энергии, передаваемой потребителю, предлагается включить в схему установки систему для подогрева газа, использующую возобновляемые источники энергии: солнце и/или биогаз.

Анализ схем установок на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и возобновляемых источников энергии проводился с помощью метода разности эксергетических КПД.

На рисунке 9 приведена принципиальная схема бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса, солнечной и биогазовой энергетическими установками.

1 - трубопровод высокого давления; 2 - теплообменник подогрева газа перед теплообменником-конденсатором; 3 - теплообменник-конденсатор; 4 - теплообменник подогрева газа после теплообменника-конденсатора; 5 - детандер; 6 - электрогенератор; 7 - электродвигатель - привод компрессора ТНУ; 8 - компрессор ТНУ; 9 - испаритель ТНУ; 10 - дросселирующее устройство;

11 - теплообменник подогрева теплоносителя из низкопотенциального источника теплоты; 12 - насос перекачки низкопотенциального теплоносителя; 13 - низкопотенциальный источник теплоты; 14 - насос перекачки промежуточного теплоносителя; 15 - солнечная энергетическая установка; 16, 17,18 и 19 - линии подвода промежуточного теплоносителя к теплообменникам 2, 4 и 11; 20 - установка для получения биогаза; 21 - котел, использующий в качестве топлива биогаз; 22, 23, 24, 25 - линии отвода промежуточного теплоносителя от теплообменников 2, 4 и 11; 26 - трубопровод низкого давления; 27 - электрическая связь электрогенератор - привод ТНУ; 28 - электрическая связь электрогенератор - электрическая сеть.

Рисунок 9 - Принципиальная схема бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса, солнечной и биогазовой энергетическими установками

В установку входит газ высокого давления, поток низкопотенциального теплоносителя и тепловой поток, полученный в биогазовой энергетической установке. Из установки выходит газ низкого давления, поток низкопотенциального теплоносителя и электроэнергия.

Расчеты проводились для нескольких вариантов режимов работы: температура газа І4 перед детандером постоянна, температура газа и перед детандером меняется, при этом в одном случае газ на выходе из детандера сразу направляется потребителю, а в другом теплота газа после детандера передается потоку газа перед конденсатором ТНУ в дополнительно установленном регенеративном теплообменнике, после чего газ направляется потребителю. Расчеты были проведены для 4-х режимов ^ = 50; 60; 70 и 80 °С.

На рисунках 10, 12 и 14 приведены графики зависимости прироста эк-сергетического КПД установки Дт|е, а на рисунках 11, .13 и 15 - графики зависимости прироста электрической мощности N3 от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при постоянных температурах газа перед детандером, при непостоянных температурах газа перед детандером без регенерации и при непостоянных температурах газа перед детандером с регенерацией соответственно.

Анализ рисунка 10 показывает, что кривые прироста эксергетического КПД установки Дт]е от теплоты, подведенной от БГУ при постоянных температурах на выходе из теплообменника 4, имеют максимум, который с увеличением температуры газа іі перед детандером смещается в сторону увеличения теплоты, подведенной от биогазовой установки.

Из рисунка 11 видно, что увеличение теплоты, подведенной от БГУ при постоянных температурах на выходе из теплообменника 4, приводит к увеличению электрической мощности, отдаваемой в сеть.

_<Збгу,кВт_

1 -*~і4=50 'С -»Ч4«60 'С -*Ч4=70 'С -»-14=80 *С|

Рисунок 10 - График зависимости прироста эксергетического КПД установки Дг|сот теплоты, подведенной от биогазовой установки, при постоянных температурах газа перед детандером

(}бгу,кВт

I -*-14=50 °С "С 14=70 "С -44=80 °С~1

Рисунок 11 - График зависимости прироста электрической мощности N3 от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при постоянных температурах газа перед детандером

Рисунок 12 - График зависимости прироста эксергетического КПД установки Ат|е от теплоты, подведенной от биогазовой установки при непостоянных температурах газа перед детандером без регенерации

| -»-13=50 "С -»-13=60 'С -*-а=70 'С -»43-80 "С I

Рисунок 13 - График зависимости прироста электрической мощности N3 от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при непостоянных температурах газа перед детандером без регенерации

Из графика рисунка 12 видно, что прирост эксергетического КПД установки для постоянной температуры газа = 50 °С сначала снижается, а потом начинает расти, при этом значения прироста эксергетического КПД установки всегда отрицательные; для температуры газа 13 = 60 °С характер кривой прироста эксергетического КПД установки такой же, как и для температуры газа = 50 °С, но значения прироста эксергетического КПД установки Дг|е от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при СЬгу = 57,5 кВт становятся положительными; кривые прироста эксергетического КПД установки Дг)е от теплоты, подведенной от биогазовой установки, для температур газа 13 70 и 80 °С монотонно возрастают.

Из рисунка 13 видно, что увеличение теплоты, подведенной от биогазовой установки при постоянных температурах на выходе из теплообменника-конденсатора 3, приводит к увеличению электрической мощности, отдаваемой в сеть. При этом электрическая мощность для принятых температур газа Із изменяется на постоянную величину, равную 16,9 кВт. С повышением температуры газа значения отдаваемой в сеть электрической мощности снижаются.

Анализ рисунка 14 показывает, что в этом случае прирост эксергетического КПД установки Лтіе при увеличении теплоты, подведенной от биогазовой установки, возрастает.

06гу,кВт

I »13=30 °С ♦ 13=60 "С А 13=70 "С "0-80 *С ]

Рисунок 14 - График зависимости прироста эксергетического КПД установки Дтіе от теплоты, подведенной от биогазовой установки при непостоянных температурах газа перед детандером с регенерацией

1 -*-<3"50°С -»-13=60°С -+-13=70°С -«-0=80"СІ

Рисунок 15 - График зависимости прироста электрической мощности N3 от теплоты, подведенной от БГУ, при непостоянных температурах газа перед детандером с регенерацией

Анализ рисунка 15 показывает, что увеличение теплоты, подведенной от БГУ при непостоянной температуре газа перед детандером с регенерацией, приводит к увеличению электрической мощности, отдаваемой в сеть.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 По результатам анализа технических характеристик работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов получены аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии и эксергетического КПД от их электрической мощности и КПД по выработке теплоты от тепловой мощности.

2 По результатам проведенного с участием автора эксперимента на действующем оборудовании получено аппроксимирующее уравнение для оценки зависимости КПД по выработке электроэнергии от электрической мощности промышленной когенерационной биогазовой установки на базе газопоршневого агрегата.

3 Разработана и апробирована модификация метода эксергетического анализа - метод разности эксергетических КПД основанный на определении приращения эксергетического КПД установок после проведения каких-либо режимных или конструктивных изменений их работы.

4 На примере сравнения газовой турбины и газопоршневых агрегатов с применением метода разности эксергетических КПД проведен анализ влияния конструктивных изменений на термодинамическую эффективность коге-нерационных биогазовых установок, работающих в режиме отпуска электроэнергии и теплоты на теплофикацию. Показано, что в этом случае использо-

вание агрегатов с более высоким КПД по выработке электроэнергии оказывается термодинамически более выгодным. Кроме того, в каждом конкретном случае при выборе ГПА или ГТУ следует учитывать и другие эксплуатационные и технические характеристики: давление топливного газа, диапазон рабочих режимов, ресурс до капитального ремонта, затраты на эксплуатацию и т.д.

5 С применением метода разности эксергетических КПД проведено исследование и получены зависимости влияния изменения давлений пара перед турбиной и после турбины на термодинамическую эффективность работы паротурбинной установки с противодавлением. Показан характер влияния указанных параметров на приращение эксергетического КПД.

6 Показано, что эксергетический КПД ГПА, ГТУ и ПТУ при принятых условиях анализа не зависит от доли содержания метана в биогазе. Рекомендовано оценивать влияние доли содержания метана в биогазе на эффективность работы когенерационных установок по изменению электрической и тепловой мощностей.

7 Разработаны защищенные патентами на полезную модель три схемы бестопливных установок на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса (парокомпрессионного и воздушного) и установок, использующих возобновляемые источники энергии (солнечную энергетическую установку и установку, работающую на биогазе).

8 С применением метода разности эксергетических КПД проведен термодинамический анализ схемы бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса, солнечной энергетической установки и установки, использующей энергию биогаза. Получены графические зависимости прироста эксергетического КПД от теплоты, подводимой от ВИЭ, при различных параметрах работы установки. Показано, что режимы работы установки с постоянной температурой газа перед детандером и с регенерацией теплоты газа после детандера, а также режим с переменной температурой газа перед детандером, термодинамически более эффективны, чем режим работы установки с постоянной температурой газа перед детандером без регенерации теплоты газа после детандера.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1 Агабабов B.C., Колосов А.М., Смирнова У.И. Зависимость для определения эффективности работы бестопливной энергогенерирующей установки в системе газоснабжения И Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез.докл. В 3-х т. М: МЭИ, 2009. Т.2.- С. 417-418.

2 Агабабов B.C., Колосов А.М., Смирнова У.И. Детандер-генераторная установка // Патент на пол. мод. №75880 RU МПК F25B 11/02,10.04.2008 Опубл. 27.08.2008 Бюл. №24.

3 Агабабов B.C., Колосов А.М., Смирнова У.И. К вопросу определения эффективности применения энергосберегающих мероприятий в установках преобразования энергии // Энергосбережение и водоподго-товка.-2009. №3 (59). - С. 40-41

4 Агабабов B.C., Байдакова Ю.О., Смирнова У.И. Детандер-генераторная установка // Патент на пол. мод. №88781 RU МПК F25B 11/02,16.07.2009 Опубл. 20.11.2009 Бюл. №32.

5 Агабабов В.С., Колосов А.М., Смирнова У.И. Зависимость для определения эффективности работы бестопливной установки для производства электроэнергии в системе газоснабжения // Энергосбережение и водоподготовка.-2009.-№ 4 (60). - С.47-48.

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

7 Агабабов B.C., Смирнова У.И. О разностном методе эксергетического анализа // Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. М: МЭИ, 2010. Т.2.- С. 405-406.

8 Агабабов B.C., Колосов А.М., Смирнова У.И. Оценка эффективности работы бестопливных энергогенерирующих установок для производства электроэнергии в системе газоснабжения // Вестник МЭИ -2010.-№ 2 - С. 15-20.

9 Агабабов B.C., Байдакова Ю.О., Смирнова У.И. Повышение энергетической эффективности бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса за счет применения возобновляемых источников энергии // X международная молодежная конференция "Се-вергеоэкотех - 2010": материалы конференции (17-19 марта 2010 г.Ухта):в 3-х ч.; ч.З. - Ухта: УГТУ. 2010. - 394 с.

10 Костюченко П.А., Смирнова У.И. К определению эффективности работы детандер-генераторных агрегатов // Сборник научных трудов: материалы научно-практической конференции (13-15 апреля 2010 г.) в 2 ч.; ч.1 / под.ред. Н.Д.Цхадая - УГГУ, 2009. - 405 с.:ил.

11 Агабабов B.C., Смирнова У.И., Сочков М.С. Детандер-генераторная установка // Патент на пол. мод. №101095 RU МПК F25B 11/02,10.06.10 Опубл. 10.01.11 Бюл. №1.

12 Бергман Р., Даенин К.Е., Смирнова У.И., Хаймер Ю.Ю., Энергоге-нерирующие биогазовые установки // Пятая международная Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». М: МЭИ, 2010. -С. 39&-401.

13 Смирнова У.И. Влияние параметров ПТУ на эффективность работы установки // Энергосбережение и водоподготовка.-2011.-№ 6 (74). -С.69-71.

Подписано в печать £• 05' ^^О2 ■ Зак. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д.13

Тир. /00 П.л.

61 12-5/2289

Федеральное Государственное оюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт

На правах рукописи

СМИРНОВА УЛЬЯНА ИВАНОВНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОГАЗА В КОГЕНЕРАЦИОННЫХ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ

Специальность 05 Л4.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Москва, 2012 год

Оглавление

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

1 ОБЗОР ЛИТЕРАРУРЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................9

1.1 История развития биогазовой технологии.............................................9

1.2 Различные способы реализации биогазовой технологии..................12

1.2.1 Технология производства биогаза...........................................................12

1.2.2 Различные типы установок для реализации биогазовой технологии ..14

1.3 Природа и схема функционирования «»генерационной биогазовой установки для производства электроэнергии и теплоты............................17

1.4 Научные исследования в области биогазовой технологии................20

1.5 Использование биогаза в бестопливных установках на базе детандер-генераторных агрегатов и теплонасосных установок................25

1.6 Выбор метода термодинамического анализа.......................................26

1.7 Цель и задачи исследования....................................................................27

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК.....................................29

2.1 Краткое описание биогазовых установок в Германии..........................29

2.2 Исследования термодинамической эффективности действующих ГПА на биогазе в зависимости от мощности.................................................30

2.3 Оценка влияния мощности на КПД по выработке электроэнергии установки фирмы Шм^еп (8епЙепЬе^, Германия).....................................43

3 РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ МОДИФИКАЦИИ МЕТОДА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА - МЕТОД РАЗНОСТИ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИХ КПД.............................................................................46

3.1 Разработка модификации метода эксергетического анализа - метод разности эксергетических КПД........................................................................46

3.2 Апробация модификации метода эксергетического анализа - метод разности эксергетических КПД........................................................................53

4 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СХЕМ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК.........................................................................61

4.1 Когенерационные установки............................ ..........................................61

4.2 Анализ преимуществ и недостатков когенерационных установок на базе различных типов двигателей....................................................................62

4.3.1 Соотношение необходимых для потребителя электрической энергии и теплоты................................................................................................................65

4.3.2 Диапазон рабочих режимов......................................................................65

4.3.3 Давление поступающего газа...................................................................66

4.3.4 Изменение КПД установки в зависимости от изменения нагрузки.....66

4.3.5 Условия работы энергетического оборудования...................................67

4.3.6 Обеспечение бесперебойной работы источника энергоснабжения.....67

4.3.7 Удельный расход топлива........................................................................68

4.3.8 Проектный срок службы, интервалы техобслуживания.......................68

4.3.9 Экологические показатели.......................................................................69

4.3.10 Паспортные характеристики установок................................................69

4.3.11 Экономическая составляющая...............................................................70

4.4 Замена ГТУ на ГПА......................................................................................71

4.5 Определение эффективности работы когенерационной биогазовой установки на базе противодавленческой паротурбинной установки при различных давлениях пара до и после турбины с использованием метода разности эксергетических КПД........................................................................75

5 РАЗРАБОТКА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СХЕМ УСТАНОВОК НА БАЗЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА, ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ И УСТАНОВКИ,

ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ЭНЕРГИЮ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

..................................................................................................................................85

5.1 Разработка схем установок..........................................................................85

5.2 Термодинамический анализ схем установок...........................................91

Выводы................................................................................................................125

Список использованных источников............................................................127

Приложение А.....................................................................................................141

Введение

Развитие высокоэффективных энергосберегающих технологий является на сегодняшний день задачей государственной важности. Это объясняется, в основном, значительно более высокой (в 3 - 4 раза), чем в экономически развитых странах Западной Европы и Америки, энергоемкостью промышленного и сельскохозяйственного производства, нерачительными затратами энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве, приводящими к разбазариванию природных запасов страны, нерациональному расходованию невосполняе-мых запасов органического топлива, 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 в повышении и в развитии энергосберегающих технологий.

Одним из направлений экономии невосполняемых запасов органического топлива является применение для генерации установок, работающих с использованием энергии возобновляемых источников. Генерация электроэнергии и теплоты на установках, использующих энергию возобновляемых источников, является на сегодняшний день одним из бурно развивающихся направлений развития мировой энергетики. Доля энергии, генерированной с их применением в общем энергетическом балансе, со временем непрерывно возрастает.

Традиционно к возобновляемым источникам относят энергию солнца, ветра, геотермальную энергию Земли, гидроэнергию. Возобновляемым источником энергии является также и биотопливо. К биотопливу относятся древесина, солома, продукты переработки растительной массы, а также отходы животноводства и птицеводства. Биотопливо используется в твердом,

жидком и газообразном виде. Биотопливо в газообразном виде носит название биогаз.

Использование биогаза как топлива возможно как при его сжигании в котлах для производства теплоты в виде пара или жидкого теплоносителя, так и при сжигании в камерах сгорания газотурбинных установок и в цилиндрах газопоршневых агрегатов. Наличие в сыром биогазе значительной доли (30 - 50 %) негорючих газов, в первую очередь двуокиси углерода, делает использование биогаза в ГТУ и ГПА более предпочтительным, чем в котлах, т.к. в этих случаях СОг выступает в качестве части рабочего тела этих установок. При сжигании же в топках котлов СО2 является балластом. Однако сжигание биогаза в котлах для получения теплоты также нашло практическое применение, и использование такого рода установок может привести к достижению положительного результата.

По мнению Генерального директора ФГБУ «Российское энергетическое агентство» Минэнерго России Т.В. Иванова, применение биогазовых установок позволит не только развивать наиболее перспективное технологическое направление повышения энергетической эффективности генерации энергии - распределенную генерацию, но и представляет собой эффективный метод утилизации отходов сельскохозяйственной отрасли. Конечно же, применение биогаза для генерации энергии не следует рассматривать как метод повышения эффективности «большой» энергетики, но в локальных энергетических системах и комплексах использование установок, работающих на биогазе, представляется весьма перспективным. Подтверждением тому является опыт Германии. Более 10% потребляемого в стране газа составляет биогаз. В эксплуатации в Германии находятся более 4200 установок, вырабатывающих электроэнергию и теплоту. В стране поставлена задача довести к 2030 году долю потребляемого биогаза до 17%. В последние годы в Германии, Голландии и некоторых других странах решается задача очистки биогаза от негорючих примесей с тем, чтобы его можно было подмешивать в сети транспортируемого природного газа.

Биогазовые установки могут быть использованы также в сочетании с другими установками для генерации энергии, такими, например, как бестопливные установки на базе детандер-генераторных агрегатов (ДГА) и тепловых насосов, для повышения их эффективности. Детандер-генераторная технология, основанная на использовании технологических перепадов давления транспортируемого природного газа в системах газоснабжения, является одной из наиболее эффективных энергосберегающих технологий производства электроэнергии. На базе детандер-генераторных агрегатов могут быть созданы также и бестопливные установки, однако для этого в сочетании с ДГА должны быть применены тепловые насосы, используемые для повышения температурного потенциала подводимой к транспортируемому газу теплоты. При этом для привода двигателя теплового насоса используется часть электроэнергии, вырабатываемой детандер-генераторным агрегатом. Оставшаяся электроэнергия передается в электрическую сеть. Применение установки, вырабатывающей теплоту при сжигании биогаза, позволяет увеличить долю электроэнергии, отдаваемую в сеть, повышая тем самым при прочих равных условиях энергетическую эффективность работы бестопливной установки.

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

Как показал практический опыт, использование установок, работающих на биогазе, детандер-генераторных агрегатов, тепловых насосов позволяет значительно повысить эффективность генерации энергии. Очевидно, что следствием повышения энергетической эффективности установок неизбежно является улучшение их экологических характеристик.

Точность определения эффективности применения энергосберегающих мероприятий в энергогенерирующих установках, представительность полученных при анализе результатов в значительной степени зависит от правильного выбора критериев и методов оценки эффективности. Так, при исследованиях эффективности работы установок одновременно генерирующих энергию различных видов (например, электроэнергию и теплоту) предпочтительно использовать эксергетический метод термодинамического анализа, основанный на определении эксергетического КПД установки. В настоящей работе предложена модификация эксергетического метода термодинамического анализа, т.н. метод разности эксергетических КПД. Предложенный метод основан на определении изменения Дг|е эксергетического КПД установок после проведения каких-либо энергосберегающих мероприятий - технологических или конструктивных усовершенствований, направленных на повышение их энергетической эффективности, и влияния различных факторов на это изменение эксергетического КПД. Предложенный метод, принципиально не отличаясь от традиционного метода эксергетического анализа, позволяет упростить оценку эффективности внедрения энергосберегающего мероприятия, особенно в тех случаях, когда существует несколько возможных способов повышения энергетической эффективности работы какого-либо устройства, сравнить ожидаемые результаты внедрений энергосберегающих мероприятий между собой.

Непрерывное увеличение потребление газа в мире, а также повышенные экологические требования к действующим и создаваемым энергетическим объектам, необходимость значительного повышения энергетической эффективности российской экономики требуют существенного развития научных исследований в этой области знаний. Настоящая работа - это попытка внести посильный вклад в развитие научных знаний в области повышения эффективности работы энергогенерирующего оборудования энергетических систем и комплексов.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАРУРЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 История развития биогазовой технологии

История развития биогазовой технологии насчитывает несколько тысячелетий. Отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий были зафиксированы в Индии, Китае, Персии и Ассирии начиная с XVII века до нашей эры. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII веке нашей эры [1].

Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах и озерных отложениях дал Александре Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе. После открытия химической формулы метана Дальтоном в 1804 году, европейскими учеными были сделаны первые шаги в исследованиях практического применения биогаза. В 1881 году, начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. Начиная с 1895 года, уличные фонари в одном из районов города Эксетер снабжались газом, который получался в результате брожения сточных вод и собирался в закрытые емкости. Двумя годами позже появилось сообщение о получении биогаза в Бомбее, где газ использовался в качестве моторного топлива в различных двигателях.

В начале XX века были продолжены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914-1921 гг. запатентовали ряд нововведений, которые заключались во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны началось распространение биогазовых установок по Европе, связанное с дефицитом топлива.

Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию

различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX столетия.

Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 году в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Уже к 1920 году английские ученые разработали несколько типов установок для переработки сточных вод.

В годы Второй мировой войны, когда наблюдался острый дефицит энергоносителей, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из навоза. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тысяч биогазовых установок для переработки навоза. Этот опыт распространялся на соседние страны. Установки для производства биогаза. Существовали в Венгрии

Европейские установки довоенного периода не выдержали конкуренции в послевоенное время со стороны дешевых энергоносителей (жидкое топливо, природный газ, электроэнергия) и были демонтированы. Новым импульсом для их развития на новой основе стал энергетический кризис 70-х годов, когда началось стихийное внедрение биогазовых установок в странах юго-восточной Азии.

Использование электроэнергии и тепла, производимого с помощью анаэробной переработки биомассы, в Европе сосредоточено, в основном, в Австрии, Финляндии, Германии, Дании и Великобритании. Так, в Германии на настоящий момент насчитывается более 3200 больших установок анаэробного сбраживания.

В Швеции энергия биомассы предоставляет 50% необходимой тепловой энергии. В Англии с помощью биогаза еще в 1990 г. удалось покрыть все энергозатраты в сельском хозяйстве. В Лондоне действует один из крупнейших в мире комплексов по переработке бытовых сточных вод.

В 30-е годы опыт Европы был перенесен в США. Сейчас в США насчитывается несколько сотен крупных биогазовых установок, перерабатывающих отходы животноводства и тысячи установок, утилизирующих городские сточные воды. Биогаз используется в основном для получения электричества, отопления домов и теплиц.

Биогазовые технологии являются одним из важных компонентов в цепи мер по борьбе с загрязнением окружающей среды. Прогноз роста вклада биомассы как источника возобновляемой энергии в мире предполагает достижение 23,8% от общего потребления энергии к 2040 году. В 2010-ом году страны ЕС увеличили этот вклад до 12%.

Доля энергии, получаемой из биомассы в развивающихся странах, составляет около 30-40% от всей потребляемой энергии, а в некоторых странах (в основном �