автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Повышение технико-экономических показателей парогазовых тепловых электростанций путем утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием тепловых насосов

005043033

На правах рукописи

Молодкина Милана Алексеевна

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПАРОГАЗОВЫХ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ПУТЕМ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2012

1 7 МАЙ ¿012

005043033

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»),

Научный руководитель:

- доктор техн. наук, профессор ^роровков Валерий Михайловыч|

- доктор техн. наук, доцент Киселев Владимир Геннадьевич

Официальные оппоненты:

- Куколев Максим Игоревич - доктор техн. наук, с.н.с., ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», профессор;

- Луканин Павел Владимирович - кандидат техн. наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», профессор

Ведущая организация — ОАО «Территориальная генерирующая компания № 1» (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится 29 мая 2012 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 в аудитории 411111К

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г. П j

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Факс: (812) 297-4990, (812) 595-3140 E-mail: kgl210@mail.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

Г К.А. Григорьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Неуклонно растущая потребность в топливно-энергетических ресурсах, наряду с ограниченностью запасов ископаемых топ-лив и тенденцией к их удорожанию на внутреннем рынке РФ определяет необходимость их рационального использования. Как результат возникает комплекс задач по поиску и разработке альтернативных источников энергии, способных постепенно заместить часть ископаемых энергоресурсов. Существенное значение приобретает внедрение рациональных способов экономии органического топлива на крупных промышленных предприятиях.

Одним из способов комбинированного решения перечисленных задач является утилизация низкопотенциальной теплоты при помощи тепловых насосов (ТН) на парогазовых тепловых электростанциях (ПГУ-ТЭС). Данное мероприятие будет способствовать совершенствованию действующей технологии производства электрической и тепловой энергии, а также уменьшению нагрузки, оказываемой топливно-энергетическим комплексом на окружающую среду, за счет снижения тепловых выбросов и потребления технической воды. Кроме того, увеличится доля альтернативных источников энергии в топливно-энергетическом балансе страны.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка и исследование схем утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием ТН, позволяющих повысить технико-экономические показатели ПГУ-ТЭС.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен сравнительный анализ источников низкопотенциальной теплоты (ИНТ) на ПГУ-ТЭС, оценен резерв экономии органического топлива за счет использования наиболее актуальных из них и определены направления применения теплоты, отпущенной от конденсатора ТН;

- разработаны и исследованы схемы, позволяющие утилизировать теплоту наиболее актуальных ИНТ с помощью ТН.

- разработаны аналитические зависимости, позволяющие определять граничные условия применения ТН и показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с теплонасосными установками (ТНУ).

- разработаны математические модели ПГУ-ТЭС с ТНУ при различных схемных решениях, исследованы с их помощью изменения показателей тепловой экономичности за счет применения ТН и предложены рекомендации по выбору оптимального варианта утилизации низкопотенциальной теплоты.

Основные методы научных исследований. В работе использованы методы термодинамического анализа энергоустановок, математического моделиро-

вания и технико-экономических расчетов в энергетике в сочетании с применением современных программных комплексов.

Научная новизна.

1. Предложены новые тепловые схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС:

- схема утилизации теплоты продувочной воды градирни для подогрева сырой воды перед химводоочисткой теплоэлектростанции (ТЭС);

- схема утилизации теплоты обессоленной воды, охлаждающей турбогенераторы для горячего водоснабжения (ГВС) зданий ТЭС;

- схема совместной работы теплофикационной установки (ТФУ) и ТН, позволяющая использовать теплоту обратной сетевой воды для ГВС зданий ТЭС.

2. Предложены аналитические зависимости, позволяющие определять граничные условия применения ТНУ в системах охлаждения агрегатов, в сбросных системах и совместно с ТФУ при использовании теплоты, отпускаемой от ТН, на собственные нужды ПГУ-ТЭС.

3. Предложены аналитические зависимости, позволяющие исследовать изменение коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС за счет применения ТН в технологической схеме, а также выбирать оптимальный вариант утилизации низкопотенциальной теплоты.

Практическая ценность работы. Предложенные и обоснованные в работе технические решения позволяют повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС и снизить неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Результаты работы могут быть использованы эксплуатационными и проектными организациями для внедрения схем утилизации низкопотенциальной теплоты с применением ТН при проектировании новых и модернизации действующих ПГУ-ТЭС. Материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений при подготовке специалистов по соответствующим специальностям.

Реализация работы. Разработанные автором рекомендации по выбору схемы утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС с помощью ТН использованы:

- филиалом «Северо-Западная ТЭЦ» ОАО «ИНТЕР РАО - Электрогенерация» при организации и проведении НИОКР для повышения эффективности работы филиала;

- ООО "Rainbow - Инженерные системы" при выполнении научно-исследовательской работы "Анализ перспектив применения технологий триге-нерации и АБХМ на объектах Группы "ЛУКОЙЛ" в Южном Федеральном Округе".

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО "СПбГПУ" при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» при проведении практических занятий по дисциплине "Источники и системы теплоснабжения".

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивается применением нормативной документации, а также статистических данных Северо-Западной ТЭЦ при разработке схем и математических моделей, проверке их адекватности и проведении с их помощью исследований.

Автор защищает:

1. Схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС, за счет утилизации низкопотенциальной теплоты продувочной воды градирни, обессоленной воды, охлаждающей турбогенератор и обратной сетевой воды;

2. Аналитические зависимости, позволяющие определить граничные условия применения ТН в системах охлаждения агрегатов, в сбросных системах и совместно с ТФУ при использовании теплоты, отпускаемой от ТН на собственные нужды ПГУ-ТЭС;

3. Аналитические зависимости, позволяющие исследовать изменение коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС за счет использования ТН в технологической схеме и выбирать оптимальный вариант утилизации низкопотенци-алыюй теплоты;

4. Результаты расчетных исследований показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ при утилизации низкопотенциальной теплоты воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины (ПТ) и турбогенераторы, продувочной воды градирни и обратной сетевой воды;

5. Рекомендации по выбору схемы утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием ТНУ на ПГУ-ТЭС.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, в обосновании методов решения сформулированных задач, в разработке схем утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС, а также аналитических зависимостей и математических моделей, позволяющих исследовать показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ при использовании ТН в системах охлаждения, сбросных системах или работающими совместно с ТФУ; помимо этого в обработке, формулировке, обобщении полученных результатов и выработке рекомендаций по условиям и схемным решениям применения ТН на ПГУ-ТЭС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Третьем Всероссийском Форуме "Наука и инновации в технических университетах" (2009 г.), на международных научно-практических конфе-

ренциях «Неделя науки СПбГПУ» (2007-2010 гг.) и научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» СПбГПУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, две из них - в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 95 источников, и 3 приложений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, включает 69 рисунков, 9 таблиц. Общий объем диссертации - 201 страница.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, приведены основные выносимые на защиту положения, научная и практическая ценность работы, дано описание структуры диссертации.

Первая глава носит обзорный характер и содержит анализ проведенных ранее исследований, касающихся применения ТН в составе ТЭС в целом и ПГУ-ТЭС в частности. На основании проведенного анализа сформулированы задачи исследования.

Во второй главе проведен сравнительный анализ ИНТ на ПГУ-ТЭС. Сравнение ИНТ с точки зрения тепловой мощности (рис. 1), температурного уровня, часового расхода, степени концентрации, условий выделения, содержания примесей, химического воздействия на металлы, рабочие вещества и окружающую среду, позволило рекомендовать наиболее актуальные ИНТ для использования в ТН на ПГУ-ТЭС (табл. 1).

Рис. 1. Тепловая мощность ИНТ на ПГУ-ТЭС

Источник низкопотенциальной теплоты Резерв экономии условного топлива, тыс. т.у.т./год

Циркуляционная вода, охлаждающая конденсатор ПТ 43,8...394,2

Обессоленная вода, охлаждающая турбогенератор 2,6

Продувочная вода градирни 0,9...2,3

Обратная сетевая вода 21,0...123,5

Третья глава посвящена разработке схем, позволяющих утилизировать низкопотенциальную теплоту на ПГУ-ТЭС с помощью ТН.

На рис. 2 представлена схема утилизации теплоты в системе охлаждения турбогенератора. От предложенных ранее схемных решений для гидроэлектростанций, паросиловых электростанций и мини-ТЭЦ схему (рис. 2) отличает возможность организации совместного режима работы ТН и водоводяного теплообменника (ВВТО).

Режим предполагает перераспределение расходов обессоленной воды между испарителем теплового насоса и ВВТО, охлаждаемым технической водой. Потребность в данном режиме связана с колебанием в значительных пределах нагрузки системы горячего водоснабжения в течение суток. Также существенным препятствием для работы ТН в наиболее эффективном режиме является невысокая маневренность установки, связанная с необходимостью непрерывного поддержания режима охлаждения генератора. Для регулирования количества теплоты, отпускаемого от ТН, повышения надежности системы охлаждения турбогенератора, а также снижения влияния на ТНУ электрической нагрузки генератора и предусмотрен совместный режим работы ТН и ВВТО.

Схема применима для турбогенераторов с аналогичной системой охлаждения на любых электростанциях. Способствует снижению влияния качества технической воды на теплообменное оборудование системы охлаждения. Использование данной схемы приведет к сокращению потребления ТЭС технической воды. Однако, необходимо постоянно поддерживать режим охлаждения турбогенератора. Часовое увеличение расхода электроэнергии на собственные нужды для Северо-Западной ТЭЦ, при расходе ИНТ 90 кг/с, составит 1...2,8 МВт.

На рис. 3. представлена схема утилизации теплоты продувочной воды градирни. Перенаправленная в испаритель ТН продувочная вода отдает тепло хла-доагенту, после чего сливается в канализацию. От предложенных ранее схем использования низкопотенциалыюй теплоты в оборотной системе водоснабжения схему (рис. 3) отличает характер ИНТ, направляемого в испаритель ТНУ. В

данном случае используется не охлаждающий, а сбросной поток технической воды. Расход сбросного потока составляет 0,3 % от потока циркуляционной воды и 1,5 % от потока технической воды, что значительно упрощает его использование в ТН в полном объеме.

отработанный пар

к контур охлаждения ' конденсатора

конденсат

> >с>»

напорный тех.водоеод Рис. 2. Схема утилизации теплоты в системе охлаждения турбогенератора: 1 - воздухоохладитель; 2 - насос; 3 - конденсатор; 4 - компрессор; 5 - испаритель; 6 - дроссель; 7 - привод компрессора; 8 - теплообменник для резервирования охлаждения обессоленной воды

техническая вода

на охлаждение ф вспомогательных механизмов

добавочная вода

продувка\А градирни |

сбросе канализацию ^

сырая вода сырая вода на ХВО

Рис. 3. Схема утилизации теплоты

продувочной воды градирни: 1 - конденсатор ПТ; 2 - градирня; 3 - циркуляционная насосная станция;

4 - береговая насосная станция;

5 - испаритель; 6 - компрессор; 7 - конденсатор; 8 - дроссель;

9 - привод компрессора

Схема может быть использована на любых электростанциях с оборотной системой водоснабжения с градирней. Небольшие колебания электрической и тепловой нагрузки основного оборудования не будут сказываться на работе ТНУ, однако, влияние будет оказывать качество технической воды. Часовое увеличение расхода электроэнергии на собственные нужды для СевероЗападной ТЭЦ, при расходе ИНТ 50 м3/ч, составит 0,1... 1,6 МВт.

На рис. 4 представлена схема утилизации теплоты обратной сетевой воды. Ранее предложенные схемы предполагали использование возвращаемой на ТЭС сетевой воды при размещении ТН вблизи потребителей теплоты. Также предлагалось использование ТН на ТЭС в качестве одной из ступеней подогрева сетевой воды (перед основными сетевыми подогревателями). Схема рис. 4 предполагает что, поток обратной сетевой воды, поступающей на ТЭС, разделяется и частично поступает в испаритель ТН, обеспечивая горячее водоснабжение

станции. Перед сетевыми подогревателями основной и охлаждаемый в испарителе ТН потоки вновь смешиваются.

Схема может быть использована не только на ПГУ, но и на паросиловых ТЭС. В случае повышения температуры обратной сетевой воды возможно поддержание ее на оптимальном уровне. Контуры, по которым циркулируют сетевая вода и вода, нагреваемая в ТН, не связаны друг с другом. Возможен отпуск тепловой энергии различного температурного уровня. Часовое увеличение расхода электроэнергии на собственные нужды для Северо-Западной ТЭЦ, при расходе ИНТ 50...275 м3/ч, составит 0,1...1,4 МВт.

пар контура НД 10

Рис. 4. Схема работы ТН совместно с ТФУ: - сетевые подогреватели; 5-7 - испаритель, компрессор и конденсатор ТН;

8 - дроссель; 9 - привод компрессора ТН; 10 - паровая турбина; 11 - генератор

В третьей главе рассмотрены направления использования теплоты, отпускаемой от ТН: подогрев сырой воды перед химводоочисткой, покрытие отопи-тельно-вентиляционной нагрузки и нагрузки ГВС ТЭС, а также теплоснабжение внешних потребителей.

В четвертой главе на основании энергетических балансов получены аналитические зависимости для определения показателей тепловой экономичности (коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении) ПГУ-ТЭС с ТНУ (при использовании ТН в системах охлаждения агрегатов, сбросных системах или совместно с ТФУ).

При использовании теплоты от ТН в технологических процессах, на нужды внутристанционного отопления и ГВС уменьшается расход пара на обеспечение потребности ТЭС в тепловой энергии и связанное с ним снижение располагаемой электрической мощности ПТ.

Минимальное значение коэффициента преобразования ТН (в системах охлаждения агрегатов или сбросных системах), при котором использование его в технологической схеме ПГУ-ТЭС не будет приводить к снижению показателей тепловой экономичности, определяется по зависимости:

^min ,

(*b

(1)

[К -й,)х(йтоу -)хт)-о, хГ)м х 1J, где ho, hp0y, hK - энтальпии пара перед ПТ, после редукционно-охладителыюй установкой и в конденсаторе соответственно; Ьв„рыск - энтальпия впрыскиваемой воды; hexKOHd - энтальпия конденсата пара собственных нужд; )/,/, цт цг -внутренний относительный КПД ПТ, механический КПД ПТ, КПД генератора соответственно.

Увеличение показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет применение ТНУ (в системах охлаждения или сбросных системах) для компенсации части собственного теплового потребления будет иметь вид:

ЬчТгу =

Qmon

вГ

{ {Ьюу-К„р„ Jxfa-Q Г 1

(ь-Oxl*

{hoy-K„i,»c,)x(k-hK) T 1 i-t—j-п*'!« xn„ x4---

(и^Ж-а ч>

(2)

где QтИV - теплота, отпущенная от ТН; (),„0„ - теплота топлива, сжигаемого в камерах сгорания газовых турбин; (}т - суммарный отпуск теплоты от ПГУ-ТЭС; (р - коэффициент преобразования ТН.

При отпуске теплоты от ТН внешнему потребителю происходит увеличение суммарного отпуска теплоты и расхода электроэнергии на собственные нужды ПГУ-ТЭС. Изменение показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет применение ТН (в системах охлаждения или сбросных системах):

А Ч'п

-х| 1-— <Р

-е™

+ Qr

1 N' — + —-

<Р

+ N''

(3)

ГТУ ПТУ

где N3 , N-з - выработка электроэнергии газовыми и паровыми турбинами соответственно; Qt17- отпуск теплоты от ТФУ ПТ.

По аналогии с зависимостью (1) минимальное значение коэффициента преобразования ТН, использующего сетевую воду в качестве ИНТ:

1 (С -к) Лк-а Л

<рт

х Ч„ х п.. (!-«)* (С - С?)'" К7^).

{h0-K)xk-

(с-лг) Г(ул)

(4)

где цк- КПД компрессора ТН; Иен"1'' - энтальпия обратной сетевой воды; h¡"x -энтальпия сетевой воды на входе в ТФУ; а - относительный расход сетевой воды; h¡mTBb - энтальпия сетевой воды на выходе из испарителя ТН; hr~ энтальпия пара в теплофикационном отборе; hf — энтальпия конденсата после сетевых подогревателей; к - коэффициент, учитывающий перепад энтальпий греющего пара.

Изменение показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет применение ТНУ (ИНТ сетевая вода) для отпуска теплоты на нужды ТЭС:

д CV='

Q'

1

__(<р-чЛ i (C~/f) [fk-K)

I ч»

i U-rjX I ; ..{hr-K)

xtí.(xtÍmxI-

(5)

а Г" " У V ) (1-я) (С-О

Изменение показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования ТН (ИНТ сетевая вода), при отпуске тепловой энергии от ТН стороннему потребителю:

Ж

Q,„,

От"

Qr"

9-л

ч>

<р

Q"

i fer-У) (Ib-K) г

с--гХт-i-ii--Z-íXt-1-Цхп.хп хл

о-«) К1^)

~1(ф-ЧА i (чт-у) (к-к) .

l+(l-a)x

fe

ЛГ)

Ф-п,

(6)

I пр „ „

где Пев - энтальпия прямой сетевой воды.

В пятой главе разработаны математические модели, позволяющие исследовать влияние, оказываемое на показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС применением ТНУ в системах охлаждения, сбросных системах и совместно с ТФУ, при различных направлениях использования тепловой энергии, отпускаемой от ТН; приведены результаты исследования. Сформулированы рекомендации по выбору варианта использования ТНУ на ПГУ-ТЭС.

В таблице 2 в развернутом виде представлены характеристики возможных вариантов использования ТН в тепловой схеме ПГУ-ТЭС.

Используя полученные в работе зависимости можно выбрать наиболее выгодную с точки зрения технико-экономических показателей схему применения ТНУ на ПГУ-ТЭС.

Аналитические зависимости (1) и (4) позволяют выделить варианты использования низкопотенциальной теплоты на собственные нужды, ведущие к повышению коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС (табл. 2).

Таблица 2. Характеристики вариантов использования теплового насоса в тепловой схеме ПГУ-ТЭС

ИНТ вода, охлаждающая конденсатор паровой турбины продувочная вода градирни обессоленная вода системы охлаждения турбогенератора сетезая вода

направление использования теплоты от ТН отопление гвс подогрев сырой во ды наХВО отопление ГВС подогрев сырой воды наХВО отопление ГВС подогрев сырой воды наХВО отопление ГБС подогрев сырой воды на ХВО

коэффициент преобразования 2,12 2£6 9,04 I.6S 2,06 4,Ç6 2,42 3,12 теашера тарный уровень обессоленной воды системы охлаждения турбогенератора позволяет осуществлять непосреда венный нагрев в теплообменнике без теплового насоса 3,43 4,87 температурный уровень обратяой сетевой воды позволяет СС.'ШеСГЕЛЯГЬ непосредствен яый нагрев в теплообменник ебез теплоеого насоса

изменение коэффициента использования топлива снижение до 0,12% увеличение до 0,01% увеличение до 0,22% снижение до 0,10° в ашженш до 0,05% увеличение до OjMîi снижение до 0,06% увеличение до 0,05% до 0,01% увеличена? до 0,03%

изменение удельной шработки электроэнергии на тепловом потреблении снижение до 0,15% увеличение до 0,01% увеличение до 0ЛЗ% снижение sa 0,11% снижение до 0,07% гвеличевие до 0,06% снижение до 0,0 9% увеличение до 0,05% снижение до 0,02% увеличение 'до 0,05%

фактическая экономия ТОПЛИБЗ (природного газа) в год - 2?...56 тысмЗ/год 547...1828 тыс.мЗгод - - 1S5...461 тысмЗтод - 193...356 шсмЗтод - П2..М2 тысиЗ-год

срох окупаемости - от 20ясг S лет - - З...блет - 13...18 лет - 4...7 лет

0,7016 0,7014 0,7012

g 0,7010

s

g

g 0,7008 0,7006 0,7004 0,7002

ИНТ

цир в суляци да (iiai пиная рев

»У ^ инт- и НТ-во; а

¡¡У ирод грев Xi )В) unci em. охЬаадс'н I............ 1Я

1шг-сете! ...........(I ibpani ая вод |Я i itiffl

.. » е.«*» ui 1РКУЛЯ днонна Р 0

вода ( ГВС) ПГУДЭЦбез, ТН..........

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Отпуск теплоты от TH, МВт

6,0

• ПГУ-ТЭЦ бет T1I

" ИНТ-циркуляционная веда (НА i (Ч1 в ХОВ)

* ИНТ-вола системы охлаждения турбогенератора (ГВС)

......€t......ИНТ-цнркуляцноныая вола (ГВС)

.............ИНТ-продувочиая вода (натрев ХОВ)

««*».» ИНТ-обратная сетевая вола

Рис. 5. Зависимость коэффициента использования теплоты топлива ПГУ-ТЭС с ТНУ от количества теплоты, отпускаемого от ТН

Отпуск теплоты от ТН, МВт

—♦ ••"• ПГУ-ТЭЦ би III ■ ■ ИНТ-циркуляционная вода (ГВС)

ИНТ-ииркуляциоиная вола (нагрев ХОВ) ИНТ-пролувочкая вола (нагрев ХОВ)

«1ШЛГГШШ1 MllT-вола системы охлаждения турбогенератора (ГВС) ' * » »» ИНТ-обратная сетевая вола

Рис. 6. Зависимость удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС с ТНУ от количества теплоты, отпускаемого от конденсатора ТН

Аналитические зависимости (2), (3), (5) и (6) позволяют выбрать вариант схемы с наилучшими технико-экономическими показателями (табл. 2). В зависимости от необходимого количества и направления использования теплоты на собственные нужды можно выбрать наиболее эффективный вариант схемы внедрения ТН в тепловую схему ПГУ-ТЭС (рис. 5 и 6).

При выборе оптимального схемного решения не менее важным является сравнение требуемых начальных капиталовложений и сроков окупаемости возможных вариантов. В зависимости от необходимого количества теплоты на собственные нужды можно выбрать вариант схемы внедрения ТНУ в тепловую схему ПГУ-ТЭС с наименьшим сроком окупаемости (табл. 2).

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе, главные из которых следующие:

1. На примере Северо-Западной ТЭЦ произведен сравнительный анализ, ИНТ на ПГУ-ТЭС и оценен резерв экономии топлива за счет наиболее актуальных из них. Для применения в тепловых насосах на ПГУ-ТЭС предложено использовать: воду, охлаждающую конденсатор ПТ (годовая экономия природного газа 30... 1 828 тыс. м3); продувочную воду градирни (годовая экономия природного газа 185...461 тыс. м3); обессоленную воду системы охлаждения турбогенератора (годовая экономия природного газа 193...386 тыс. м3); обратную сетевую воду (годовая экономия природного газа 172...992 тыс. м3).

2. Разработаны тепловые схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС за счет утилизации низкопотенциальной теплоты продувочной воды градирни, обессоленной воды системы охлаждения турбогенераторов и обратной сетевой воды. Рассмотрены возможные направления использования теплоты, отпускаемой от конденсатора ТН, и установлено, что наиболее эффективным является использование ТНУ для отпуска теплоты на собственные нужды ТЭС (увеличение коэффициента использования теплоты топлива до 0,22 %, увеличение удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении до 0,23 %). Использование тепловых насосов на ПГУ-ТЭС для отпуска тепловой энергии стороннему потребителю при увеличении коэффициента использования теплоты топлива ведет к снижению удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

3. Получены аналитические зависимости для определения граничных условий применения ТН в технологической схеме ПГУ-ТЭС. На Северо-Западной ТЭЦ минимальное значение коэффициента преобразования, при котором использование ТНУ не будет приводить к снижению показателей тепловой экономичности:

- для ТН в системах охлаждения или сбросных системах - 2,81;

- для ТН на сетевой воде - 4,1.

Разработаны аналитические зависимости для определения показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ и математические модели, позволяющие исследовать влияние, оказываемое на показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС применением ТН в системах ТЭС, при различных направлениях использования тепловой энергии отпускаемой от конденсатора ТН. Получены численные значения изменения показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС при различных вариантах включения ТНУ в тепловую схему.

4. Разработаны рекомендации по выбору способа утилизации низкопотен-циалыюй теплоты на ПГУ-ТЭС при помощи ТНУ. В соответствии с рекомендациями было установлено, что для подогрева химобессоленной воды наиболее эффективно могут быть использованы:

- вода, охлаждающая конденсатор ПТ (срок окупаемости 3,5...5 лет);

- продувочная вода градирни (срок окупаемости 3...6 лет).

Для ГВС наиболее эффективно могут быть использованы:

- вода из системы охлаждения турбогенераторов (срок окупаемости 13... 18

лет);

- обратная сетевая вода (срок окупаемости 4...7 лет).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Молодкина М.А. Тепловой насос в замкнутой системе воздушного охлаждения турбогенератора / М.А. Молодкина // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2011. № 2 (123). - С. 81-85.

2. Молодкина М.А. Возможности энергосбережения на парогазовых тепловых электростанциях большой мощности за счет утилизации выбросов низкопотенциалыюй теплоты продувки градирни / М.А. Молодкина // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2011 № 3 (130). - С. 84-88.

3. Молодкина М.А. Методика распределения затрат топлива между электрической и тепловой энергиями для ТЭЦ на базе ПГУ с котлом утилизатором на примере Северо-Западной ТЭЦ / М.А. Молодкина, В.М. Боровков // XXXVI Неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. - СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2007. - С. 159-161.

4. Молодкина М.А. Применение теплового насоса в схеме теплофикационной установки ТЭЦ на базе парогазовой установки с котлом утилизатором на примере Северо-Западной ТЭЦ / М.А. Молодкина, В.М. Боровков // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвузовской научной

конференции студентов и аспирантов. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008.-С. 111-112.

5. Молодкина М.А. Исследование возможностей энергосбережения на тепловых электростанциях, работающих на базе парогазовых установок с котлами-утилизаторами, за счет утилизации выбросов низкопотенциалыюй теплоты / М.А. Молодкина // Наука и инновации в технических университетах: материалы Третьего Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С. 113.

6. Молодкина М.А. Исследование возможностей энергосбережения на тепловых электростанциях, работающих на базе парогазовых установок с котлами-утилизаторами, за счет внедрения теплового насоса в тепловую схему / М.А. Молодкина, В.М. Боровков // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. III. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С. 105-106.

7. Молодкина М.А. Исследование возможностей энергосбережения на парогазовых тепловых электростанциях большой мощности за счет утилизации выбросов низкопотенциалыюй теплоты сточных вод и продувки градирни / М.А. Молодкина, В.М. Боровков // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. III. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - С. 157-159.

Подписано в печать 24.04.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9159b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/3124

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

На правах рукописи

Молодкина Милана Алексеевна

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПАРОГАЗОВЫХ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ПУТЕМ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ

НАСОСОВ

05.14Л4 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук,

профессор |В.М. Боровков

доктор технических наук, доцент В.Г. Киселев

Санкт-Петербург - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12

1.1 Область применения теплонасосных технологий 12

1.2 Применение тепловых насосов в теплоэнергетике 15

1.3 Исторический аспект проводимого исследования 18

1.4 Существующие варианты включения теплового насоса в схемы ТЭС 21

1.5 Практическая реализация использования теплового насоса на ТЭС 44

1.6 Основные задачи исследования. 48 ГЛАВА 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ НА ПГУ-ТЭС 49

2.1 Использование тепловых насосов на ТЭС 49

2.2 Использование естественных источников низкопотенциальной теплоты в условиях ПГУ-ТЭС 51

2.2.1 Использование низкопотенциальной теплоты грунта 51

2.2.2 Использование низкопотенциальной теплоты подземных вод 53

2.2.3 Использование низкопотенциальной теплоты воды естественных и искусственных водоемов 54

2.2.4 Использование низкопотенциальной теплоты наружного воздуха 56

2.2.5 Использование в тепловых насосах солнечной энергии 57

2.2.6 Выводы по результатам анализа естественных источников низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС 5 8

2.3 Использование искусственных источников низкопотенциальной теплоты в условиях ПГУ-ТЭС 60

2.3.1 Использование низкопотенциальной теплоты в системах охлаждения 61

2.3.2 Использование низкопотенциальной теплоты в сбросных системах 70

2.3.3 Использование в качестве источника низкопотенциальной теплоты 78

обратной сетевой воды

2.3.4 Выводы по результатам анализа искусственных источников низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС 80

2.4 Комбинирование источников низкопотенциальной теплоты 84

2.5 Направления применения теплоты, отпущенной от конденсатора теплового насоса в условиях ПГУ-ТЭС 85 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ СХЕМ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ НА ПГУ-ТЭС 89 3 Л Использование тепловых насосов в схемах оборотного технического водоснабжения с градирнями 89

3.2 Использование тепловых насосов в системе охлаждения турбогенераторов 95

3.3 Использование тепловых насосов для утилизации теплоты продувочной воды градирни 101

3.4 Использование тепловых насосов в составе теплофикационной установки 105 ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ПГУ-ТЭС С ТЕПЛОВЫМИ НАСОСАМИ 110

4.1 Определение основных показателей тепловой экономичности ПГУ-

ТЭС 110

4.2 Определение основных показателей тепловой экономичности ПГУ-

ТЭС с тепловым насосом 113

4.3 Использование низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС для компенсации тепловых собственных нужд 114

4.4 Использование низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС для

отпуска тепловой энергии потребителю 122

4.5 Использование низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды

на ПГУ-ТЭС 124

4.5.1 Отпуск теплоты на собственные нужды 125

4.5.2 Отпуск теплоты стороннему потребителю 129

ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ НА ПГУ-ТЭС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ 131

5.1 Математическое моделирование схем утилизации низкопотениальной теплоты на ПГУ-ТЭС с использованием тепловых насосов 131

5.2 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования низкопотенциальной теплоты воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины 138

5.3 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования низкопотенциальной теплоты продувочной воды

градирни 145

5.4 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования низкопотенциальной теплоты системы охлаждения турбогенераторов 149

5.5 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования обратной сетевой воды в тепловых насосах 155

5.6 Выбор оптимального варианта использования тепловых насосов на ПГУ-ТЭС 160 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166 ЛИТЕРАТУРА 169 Приложения 179

ВВЕДЕНИЕ

Неуклонно растущая потребность в топливно-энергетических ресурсах наряду с их ограниченностью и тенденцией к удорожанию, на внутреннем рынке РФ, порождает необходимость их рационального использования. Как итог возникает комплекс задач по поиску и разработке альтернативных источников энергии, способных постепенно заместить ископаемые энергоресурсы. Существенное значение приобретает внедрение рациональных способов экономии органического топлива на крупных промышленных предприятиях.

В Энергетической стратегии России на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, целью энергетической политики России установлено максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. Также существенное внимание уделено задаче обеспечения экологической безопасности функционирования энергетического сектора России. Последовательное ограничение нагрузки ТЭК на окружающую среду и климат будет достигаться путем снижения выбросов загрязняющих веществ, сброса загрязненных сточных вод, а также эмиссии парниковых газов, сокращения отходов производства и потребления энергии.

Существенная роль в Энергетической стратегии России на период до 2030 года отводится развитию использования возобновляемых источников энергии. Их вовлечение в топливно-энергетический баланс позволит сэкономить органическое топливо, сбалансировать энергетический спрос, за счет удовлетворения нужд потребителей, расположенных как вдали от централизованных систем теплоснабжения, так и вблизи от них, а также

снизить экологическую нагрузку со стороны предприятий энергетики на

окружающую среду.

В федеральном законе N 261-ФЗ от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» в перечень мероприятий, подлежащих включению в региональные, муниципальные программы в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, одним из основных пунктов фигурируют мероприятия по увеличению количества случаев использования вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии.

Значительная часть потенциала энергосбережения, приходящаяся на низкотемпературные природные и тепловые вторичные энергетические ресурсы, может быть реализована двумя путями. Первый путь предусматривает трансформацию теплоты от более высокого температурного уровня теплоносителя к более низкому температурному уровню потребителя (реализуется при помощи теплообменников рекуперативного или регенеративного типа). Второй путь предусматривает использование трансформации теплоты к более высокому уровню температур (основывается на применении тепловых насосов (ТН)).

Создание комплекса технологического оборудования и разработка типовых технических решений по использованию тепловых насосов в системах теплоснабжения в крупных городах и городских образованиях отмечено в Энергетической стратегии России на период до 2030 года в качестве одного из приоритетных направлений научно-технического прогресса в энергетическом секторе.

Низкий потенциал низкотемпературных энергетических ресурсов, как правило, не позволяет транспортировать их на значительные расстояния, поэтому наиболее выгодной является ситуация, когда тепловая энергия генерируется вблизи потребителя. Этим обуславливается широкое применение тепловых насосов в децентрализованных системах теплоснабжения (без

протяженных дорогостоящих тепловых сетей) и отсутствие в нашей стране крупных промышленных теплонасосных установок способных составить конкуренцию котельным или теплоэлектроцентралям.

Широкое распространение систем централизованного теплоснабжения в России, наряду с климатическими и географическими ее особенностями, дает возможность предположить, что переход к децентрализованному теплоснабжению на базе тепловых насосов в крупных масштабах в ближайшее время не осуществим. В качестве альтернативного решения могут выступать системы, комбинирующие централизованное теплоснабжение с теплоснабжением на базе тепловых насосов.

Значительный интерес в качестве объекта исследования возможностей использования низкотемпературных энергетических ресурсов с помощью теплонасосных установок представляют тепловые электростанции (ТЭС). Это обуславливается наличием на ТЭС значительного количества неиспользуемой низкопотенциальной теплоты, а также необходимостью подвода теплоты среднего или высокого потенциала для осуществления ряда технологических процессов, отопления и горячего водоснабжения объектов на территории тепловой электростанции. Обычно для этих целей используется высокопотенциальный пар, отбираемый от котлов или турбин ТЭС, либо дополнительные, менее эффективные источники теплоты. Это приводит к снижению тепловой экономичности работы ТЭС в результате уменьшения полезного отпуска электроэнергии или увеличения расхода органического топлива.

Утилизация при помощи тепловых насосов низкопотенциальной теплоты, образующейся на ТЭС, позволит усовершенствовать действующую технологию производства электрической энергии и теплоты, а также снизить нагрузку на окружающую среду, за счет уменьшения тепловых выбросов и потребления технической воды. Кроме того, увеличится доля альтернативных источников энергии в топливно-энергетическом балансе страны.

Использование теплонасосных технологий на ТЭС потребует создания ТН большой мощности. Это позволит реализовать такие преимущества крупных теплонасосных установок как более низкие удельные капитальные вложения (на единицу тепловой мощности), меньшая занимаемая площадь (по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов), более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов и теплового насоса в целом.

Тепловые насосы широко применяются за рубежом, однако, в российской энергетике широкого распространения они не получили. Это можно объяснить не только общим недостаточно активным развитием возобновляемой энергетики в нашей стране, но и сравнительно небольшим количеством обоснованных схем и технических решений, позволяющих утилизировать при помощи ТН низкопотенциальную теплоту на ТЭС.

В настоящее время большинство проектируемых и строящихся в нашей стране электростанций это ПГУ-ТЭС. Несмотря на их высокую тепловую экономичность, по сравнению с традиционными паросиловыми установками, вопрос экономии органического топлива не теряет своей первостепенности.

С учетом вышесказанного, в настоящее время одним из наиболее актуальных вопросов эксплуатации ПГУ-ТЭС является разработка и исследование технологий, позволяющих при помощи тепловых насосов использовать образующуюся низкопотенциальную теплоту.

Целью работы является разработка и исследование схем утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием ТН, позволяющих повысить технико-экономические показатели ПГУ-ТЭС.

В работе использованы методы термодинамического анализа энергоустановок, математического моделирования и технико-экономических расчетов в энергетике в сочетании с применением современных программных комплексов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены новые тепловые схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС:

- схема утилизации теплоты продувочной воды градирни для подогрева сырой воды перед химводоочисткой теплоэлектростанции (ТЭС);

- схема утилизации теплоты обессоленной воды, охлаждающей турбогенераторы для горячего водоснабжения (ГВС) зданий ТЭС;

- схема совместной работы теплофикационной установки (ТФУ) и ТН, позволяющая использовать теплоту обратной сетевой воды для ГВС зданий ТЭС.

2. Предложены аналитические зависимости, позволяющие определять граничные условия применения ТНУ в системах охлаждения агрегатов, в сбросных системах и совместно с ТФУ при использовании теплоты, отпускаемой от ТН, на собственные нужды ПГУ-ТЭС.

3. Предложены аналитические зависимости, позволяющие исследовать изменение коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС за счет применения ТН в технологической схеме, а также выбирать оптимальный вариант утилизации низкопотенциальной теплоты.

Предложенные и обоснованные в работе технические решения позволяют повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС и снизить неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Результаты работы могут быть использованы эксплуатационными и проектными организациями для внедрения схем утилизации низкопотенциальной теплоты с применением ТН при проектировании новых и модернизации действующих ПГУ-ТЭС. Материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений при подготовке специалистов по соответствующим специальностям.

Разработанные автором рекомендации по выбору схемы утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС с помощью ТН использованы:

- филиалом «Северо-Западная ТЭЦ» ОАО «ИНТЕР РАО -Электрогенерация» при организации и проведении НИОКР для повышения

эффективности работы филиала;

- ООО "Rainbow - Инженерные системы" при выполнении научно-исследовательской работы "Анализ перспектив применения технологий тригенерации и АБХМ на объектах Группы "ЛУКОЙЛ" в Южном Федеральном Округе".

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО "СПбГПУ" при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» при проведении практических занятий по дисциплине "Источники и системы теплоснабжения".

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивается применением нормативной документации, а также статистических данных Северо-Западной ТЭЦ при разработке схем и математических моделей, проверке их адекватности и проведении с их помощью исследований.

Автор защищает:

1. Схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС, за счет утилизации низкопотенциальной теплоты продувочной воды градирни, обессоленной воды, охлаждающей турбогенератор и обратной сетевой воды;

2. Аналитические зависимости, позволяющие определить граничные условия применения ТН в системах охлаждения агрегатов, в сбросных системах и совместно с ТФУ при использовании теплоты, отпускаемой от ТН на

собственные нужды ПГУ-ТЭС;

3. Аналитические зависимости, позволяющие исследовать изменение коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС за счет использования ТН в технологической схеме и выбирать оптимальный вариант утилизации низкопотенциальной теплоты;

4. Результаты расчетных исследований показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ при утилизации низкопотенциальной теплоты воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины (ПТ) и турбогенераторы, продувочной воды градирни и обратной сетевой воды;

5. Рекомендации по выбору схемы утилизации низкопотенциальной

теплоты с использованием ТНУ на ПГУ-ТЭС.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, в обосновании методов решения сформулированных задач, в разработке схем утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС, а также аналитических зависимостей и математических моделей, позволяющих исследовать показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ при использовании ТН в системах охлаждения, сбросных системах или работающими совместно с ТФУ; помимо этого, в обработке, формулировке, обобщении полученных результатов и выработке рекомендаций по условиям и схемным решениям применения ТН на ПГУ-ТЭС.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Третьем Всероссийском Форуме "Наука и инновации в технических университетах" (2009 г.), на международных научно-практических конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (2007 - 2010 гг.) и научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» СПбГПУ

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, две из них в издании, рекомендованном ВАК.

�