автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Разработка и исследование схем тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов

На правах рукописи

005549987 ^

РОГОВА АННА АНДРЕЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ТРИГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК НА БАЗЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 э О! 20М

Москва-2014

Ь

005549987

Работа выполнена на кафедре Тепловых электрических станций федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Агабабов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

заместитель директора, руководитель Научно-исследовательского центра физико-технических проблем энергетики федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН), г. Москва Попель Олег Сергеевич

кандидат технических наук, генеральный директор Общества с ограниченной ответственностью «ACT Бауинжи-ниринг», г. Москва Костюченко Павел Анатольевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Объединение ВНИПИэнергопром» (ОАО «ВНИПИэнергопром»), г. Москва

Защита диссертации состоится «02» октября 2014 г. в 14 час. 00 мин. в Малом актовом зале ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» на заседании диссертационного совета Д.212.157.14 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: ул. Красноказарменная, д. 14, г. Москва, 111250.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.

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

Автореферат разослан« ■ * » 2014 г. О

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д.212.157.14 -------

к.т.н., доцент ' ** В.П. Зверьков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется государственной энергетической политикой Российской Федерации, закрепленной «Энергетической стратегией России на период до 2030 года». Одной из целей государственного регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности является снижение потребления невосполняемых энергоносителей (углеводородов) на единицу вырабатываемой продукции. В связи с этим энергетическая стратегия предусматривает: увеличение доли нетопливных источников энергии в потреблении первичных топливно-энергетических ресурсов; развитие малой и децентрализованной энергетики; снижение негативного воздействия электроэнергетики на окружающую среду на основе применения наилучших технологий; модернизацию и развитие систем децентрализованного теплоснабжения с применением высокоэффективных установок, в том числе теп-лонасосных; развитие систем распределенной генерации тепла с вовлечением в теплоснабжение возобновляемых источников энергии.

Для решения поставленных задач целесообразно применять перспективные способы производства электрической энергии, одним из которых является детандер-генераторная технология, основанная на использовании технологических перепадов давления транспортируемого природного газа для выработки электроэнергии при помощи детандер-генераторных агрегатов (ДГА) на станциях технологического понижения давления газа в системах газоснабжения. Область применения ДГА включает в себя газораспределительные станции (ГРС), газорегуляторные пункты (ГРП) и компрессорные станции (КС) всех крупных потребителей газа.

В последние годы в нашей стране и за рубежом детандер-генераторной технологии уделяется большое внимание. Были разработаны различные схемы установок на базе детандеров, в том числе с применением тепловых насосов, обеспечивающих выработку как электроэнергии, так и теплоты. Однако вопросы обеспечения работы такого рода установок в режиме тригенерации, т.е. с одновременным производством электроэнергии, теплоты и холода, не рассматривались. Использование тригенерационных технологий позволит не только снизить энергоемкость производства электроэнергии, теплоты и холода по сравнению с их раздельной генерацией, но и повысить экологические характеристики современных технологических комплексов.

В рамках диссертационного исследования разработан метод бестопливной одновременной генерации электроэнергии, теплоты и холода за счет использования технологических перепадов давления транспортируемого природного газа и низкопотенциальной теплоты вторичных энергетических ресурсов и/или окружающей среды, а также предложен способ реализации данного метода на установках, включающих в себя детандер-генераторные агрегаты и тепловые насосы. Проведен анализ термодинамической эффективности работы предложенных впервые схем тригенерационных установок на базе детандер-генераторных агрегатов и тепловых насосов.

Степень разработанности темы исследования достаточно высока при принятых при выполнении работы условиях. Предложены как структурные, так и технологические схемы тригенерационных установок. Рассмотрены вопросы подогрева газа в детандер-генераторном агрегате за счет теплоты низкого температурного потенциала с использованием преобразователей теплоты и без них. Рассмотрены различные способы генерации теплоты и холода в тригенерационных установках с применением различного оборудования. Отмечены преимущества и недостатки представленных технических решений, позволяющие определить оптимальные условия для реализации того или иного решения.

Пели и задачи исследования. Цель исследования заключается в разработке перспективной структуры энергетических систем и комплексов, способствующей повышению их экономичности, эффективности и снижению вредного воздействия на окружающую среду. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Разработать научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.

2 Разработать методики определения показателей эффективности работы бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.

3 Выполнить термодинамический анализ схем тригенерационных установок.

4 Провести оценку технико-экономической эффективности тригенерационных установок.

Научная новизна работы

1 Разработаны научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.

2 Разработаны методики определения эффективности бестопливных тригенерационных установок.

3 Проведен анализ термодинамической эффективности схем тригенерационных установок.

4 Проведена оценка экономической эффективности инвестиций в строительство установок.

Теоретическая значимость работы состоит в сформулированных впервые научных основах технологии бестопливной тригенерации, принципах функционирования бестопливных тригенерационных установок, а также в предложенных методиках определения эффективности работы установок, основанных на разработанных математических моделях и алгоритмах расчета параметров и критериев эффективности работы установок.

Практическая значимость работы определена разработанными схемами бестопливных тригенерационных установок на основе ДГА и ТНУ, а также возможностью обеспечения оптимального режима работы установок в различных условиях с применением разработанных методик определения эффективности.

Методология и методы исследования, применяемые в диссертационной работе, включают в себя общенаучные теоретические методы исследования, в том числе: анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, системный анализ.

Положения, выносимые на защиту:

1 научные основы и принципы функционирования бестопливных тригене-рационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;

2 схемы бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;

3 методики определения эффективности работы установок;

4 математические модели тригенерационных установок;

5 алгоритмы расчета параметров работы и критериев эффективности тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;

6 результаты анализа термодинамической эффективности тригенерационных установок;

7 результаты оценки технико-экономической эффективности инвестиций в строительство тригенерационных установок.

Степень достоверности результатов исследования обусловлена корректным применением допущений при построении математических моделей, опирающихся на фундаментальные и регламентированные общепринятыми нормативными материалами закономерности в области термодинамики, применением современных программных комплексов для определения термодинамических свойств веществ, а также использованием общеизвестной методики проведения технико-экономических расчетов.

Апробация результатов. Результаты работы были представлены на Днях науки в Институте прикладных наук Лаузитц (Wissenschaftstage der Hochschule Lausitz (FH)), г. Коттбус (Hochschule Lausitz, Cottbus), 2011 г. и 2012 г.; VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2012 г.; Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС», г. Москва, 2012 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в промышленности», г. Чебоксары, 2012 г.; УП ежегодной Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.; VIII Международной научно- технической конференции «Энергия - 2013», г. Иваново, 2013 г.; Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVII Бенардосовские чтения)», г. Иваново, 2013 г.

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы.

Текст диссертации изложен на 163 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 27 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цели и задачи исследования, степень разработанности темы исследования, научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимости, применяемые методология и методы исследования, положения, выносимые на защиту; обоснованы степень достоверности полученных результатов; приведены сведения об апробации результатов исследования.

В первой главе выполнен обзор литературных источников в области бестопливных установок, тригенерационных установок и их составляющих. Представлена классификация тригенерационных установок по способу производства продукции и виду используемого топлива. Описаны условия, при которых возможно создание установок, не требующих затрат невозобновляемых энергетических ресурсов для обеспечения их работы в установившемся режиме. Такие установки можно назвать бестопливными.

Показано, что в основе тригенерационной технологии может лежать детандер-генераторная технология. Описана сущность детандер-генераторной технологии, представлены основные характеристики современных турбодетан-деров, а также их производители. Показано, что в состав бестопливных установок на базе детандеров могут входить тепловые насосы. Описан принцип действия теплонасосных установок (ТНУ), отмечены преимущества и недостатки перспективных рабочих веществ ТНУ.

Определены объект и предмет исследования, исследовательские средства, необходимые для решения задачи, определены этапы проведения исследования.

Во второй главе описаны основы технической теории объекта исследования - технологии бестопливной тригенерации - включающие в себя природу и теорию функционирования объекта исследования. Показано, что сущность (природа) технологии бестопливной тригенерации заключается в таком способе технического производства электрической энергии, теплоты и холода, при котором электрическая энергия, теплота и холод одновременно вырабатываются в одном технологическом комплексе и для обеспечения работоспособности технологического комплекса не требуется затрат невозобновляемых природных ресурсов.

Сформулирован основной принцип функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе ДГА и ТНУ, заключающийся в одновременной генерации электроэнергии, теплоты и холода за счет использования технологических перепадов давления транспортируемого природного газа и низкопотенциальной теплоты вторичных энергетических ресурсов и/или окружающей среды для энергоснабжения потребителей в соответствии с условиями их работы.

Разработаны структурные и технологические схемы тригенерационных установок трех типов:1) на базе ДГА и двух ТНУ (схема №1); 2) на базе ДГА и трех ТНУ (схема №2); 3) на базе ДГА, двух ТНУ и котельного агрегата (схема №3). Схемы №1 и №2 являются бестопливными. В схеме №1 осуществляется

совместная генерация теплоты и холода в теплонасосной установке ТНУ-2. В схемах №2 и №3 холод производится холодильной машиной, а теплота - тепловым насосом и котельным агрегатом соответственно. В тексте диссертации приводится описание функционирования структурных и технологических схем. На рисунке 1 представлена одна, из предложенных в работе структурных схем -схема бестопливной тригенерационной установки с детандер-генераторным агрегатом и двумя тепловыми насосами, а на рисунке 2 - технологическая схема данной установки (схема №1). Разработанные технологические схемы послужили основой для создания их математических моделей.

Л- 1 - газопровод высокого давления; 2 - дросселирующе! устройство; 3 - газопровод низкого давления; 4 - лини: подачи газа высокого давления на ДГА; 5 - линия подач) газа от ДГА в газопровод пизкого давления; б - ДГА; 7 -линия подачи часта выработанной ДГА электроэнергии 1 - , сеть; 8 - линия подачи части выработанной ДГА элек троэнергии на установку трансформации теплоты дл: подогрева газа в ДГА; 9 - линия подачи части вырабо танной ДГА электроэнергии на установку трансформа т^ ции теплоты для совместной генерации теплоты и холо

- установка трансформации теплоты для подогре — Структурная ва газа в ДГА; 11 - линия отвода теплоты высокого тем

да; 10

Рисунок 1

схема бестопливной тригене- пературного потенциала от установки трансформащп рационной установки с де- теплоты для ДГА; 12 - установка трансформации тепло тандер-генераторным arpera- ты л™ генерации теплоты и холода; 13 - линия подач]

теплоты высокого температурного потенциала потреби том и двумя тепловыми насо- телю; 14_липия отаода холода потребителю; 15 -обща

сами

линия подачи теплоты низкого температурного

потенциала; 16 - линия подачи теплоты низкого температурного потенциала на установку трансформации теплоты для подогрева газа в ДГА; 17 — линия подачи теплоты низкого температурного потенциала на установку трансформации теплоты для совместной генерации теплоты и холода.

1 - газопровод высокого давления; 2 - дросселирующее устройство станции технологического понижения давления; 3 - газопровод низкого давления; 4 - подача газа высокого давления

на детандер; 5 - детандер; 6 - пароохладитель (конденсатор) ТНУ-1 - теплообменник подогрева газа перед детандером; 7 - теплообменник подогрева газа после детандера; 8 - трубопровод газа низкого давления на выходе из детандера; 9 - электрогенератор ДГА; 10 - дросселирующее устройство ТНУ-1; 11 - компрессор ТНУ-1; 12 - электродвигатель - привод компрессора ТНУ-1; 13 - испаритель ТНУ-1; 14, 15, 35 - насосы подачи теплоносителя теплоты низкого температурного потенциала; 16 - линия подачи электроэнергии в электросеть; 17 - линия подачи электроэнергии к электродвигателю - приводу компрессора ТНУ-1; 18 -линия подачи электроэнергии к электродвигателю - приводу компрессора ТНУ-2; 19 - электродвигатель - привод компрессора ТНУ-2; 20 - компрессор ТНУ-2; 21 - пароохладитель ТНУ-2 - теплообменник подогрева теплоносителя, подаваемого потребителю; 22 - дросселирующее устройство ТНУ-2; 23 - испаритель ТНУ-2; 24 - дополнительный теплообменник отвода невостребованной потребителем теплоты; 25 - трубопровод подвода нагреваемого теплоносителя от потребителя; 26 - трубопровод подвода нагретого теплоносителя к дополнительному теплообменнику отвода теплоты; 27 - трубопровод подачи нагретого теплоносителя потребителю; 28 - холодильная камера; 29 - теплообменник подвода теплоты низкого температурного потенциала; 30 - линия выхода промежуточного теплоносителя из испарителя ТНУ-2; 31 - линия подачи промежуточного теплоносителя в холодильную камеру; 32 -линия подачи промежуточного теплоносителя в дополнительный теплообменник подвода теплоты низкого температурпого потенциала; 33 - линия выхода промежуточного теплоносителя из дополнительного теплообменника 29; 34 - линия подачи промежуточного теплоносителя в испаритель ТНУ-2; 36 - тепловой потребитель; 37,38, 39 - низкопотенциальные источники теплоты (НИТ); 40 - насос теплоносителя потребителя.

Рисунок 2 - Технологическая схема бестопливной тригенерационной установки с детандер-генераторным агрегатом и двумя парокомпрессионными

тепловыми насосами

Третья глава посвящена разработке математических моделей тригенера-ционных установок и алгоритмов расчета параметров их работы и критериев эффективности.

Условия математического моделирования схем тригенерационных установок включают в себя принятые исходные данные, ограничения и допущения. При разработке математических моделей в качестве параметров процессов рассматривались: расход транспортируемого газа; давление газа на входе и выходе станции технологического понижения давления; температура газа на входе на станцию технологического понижения давления; отопительная нагрузка потребителя; холодильная нагрузка потребителя; температура наружного воздуха; температура источника теплоты низкого потенциала; температурный график сетей теплоснабжения и холодоснабжения. В качестве ограничений приняты следующие: давление газа на выходе со станции технологического понижения давления (задается по условиям эксплуатации); энтальпии газа на входе и на выходе станции технологического понижения давления газа совпадают. В качестве допущений приняты: потери давления рабочего тела ТНУ в трубопроводах и теплообменных аппаратах малы и не учитываются; температурные напоры на входе и выходе теплообменных аппаратов задаются в качестве условий расчета; температура газа на входе на станцию технологического понижения давления газа не зависит от температуры окружающей среды; нагрев теплоносителя теплоты низкого температурного потенциала в перекачивающих насосах не учитывается; коэффициенты, учитывающие потери энергии в теплообменных аппаратах, имеют постоянные значения и не зависят от типа теплообменного ап-

парата; процесс дросселирования в дросселирующем устройстве теплонасосной установки адиабатический; внутренний относительный КПД детандера задан; схема движения теплоносителей в теплообменниках противоточная; транспортируемый газ - чистый метан.

Математические модели построены на законах сохранения энергии и массы. Системы уравнений, описывающие составные части тригенерационных установок, включают в себя общеизвестные уравнения теплового баланса, а также выражения для определения мощности, эксергии и эксергетического КПД. На основе математических моделей были разработаны алгоритмы расчета параметров работы тригенерационных установок. Ниже представлен алгоритм расчета параметров работы бестопливной тригенерационной установки с детандер-генераторным агрегатом и двумя парокомпрессионными тепловыми насосами.

Расчет детандер-генераторной установки производится в следующей последовательности.

1. Задается значение температуры газа на входе в детандер £д£А, которая является параметром оптимизации распределения величин подогрева газа до и после детандера. Определяется температура газа на выходе из станции технологического понижения давления газа по известным значениям его давления и энтальпии: £вых = /(Рвых! Кых)-

2. Определяется температура газа на выходе из ДГА по формуле:

2вх

'ГВЫХ _ т вх ДГА

дга - мга-т53г 2ДГА

при этом коэффициенты сжимаемости газа определяются по таблицам тепло-физических свойств газов по известным значениям температур и давлений газа: 2дга = Рдга)' *дга = /(¿агах; Рдга)- Для определения коэффициента

сжимаемости газа на выходе из ДГА предварительно задаются некоторым значением температуры газа на выходе из ДГА Сдрд. После чего находится значение Ид™ и производится итеративный расчет температуры £дга-

3. Мощность детандера: ЛГДГА = Сг • (/г®х ДГА - Л?,ыдга) 1 Пмех ' Ъг. при этом энтальпии газа на входе и выходе из детандера определяются по таблицам теп-лофизических свойств газов по значениям давлений и температур газа: к: дга = /(рдга; £дга). Сдга = /(рдга ; сд?а )■ Сг - расход газа на детандер.

4. Определяется теплота, необходимая для подогрева газа до и после детандера по выражениям: <?6 = • (й?* дга - ^вх)< == • (^"7 - Н™ дГА). Энтальпия газа на входе на станцию технологического понижения давления газа квк определяется по таблицам теплофизических свойств газов по известным значениям давления и температуры газа: /гвх = f(p&x^, ¿вх).

5. Определяется расход теплоносителя НИТ для теплообменника подогрева газа после детандера (теплообменник 7 на рисунке 2) по выражению

Энтальпии теплоносителя НИТ на входе и выходе из теплообменника 7 определяются по таблицам теплофизических свойств по известным значениям его температуры и давления:

ьт = /(гнит; рйГ). = ВЫХ ' Рвых )*

а 1 аоа па по / 11« гл. ни ^^

т • - 1) + 1

Здесь давление теплоносителя НИТ принимается в качестве дополнительных исходных данных. £ - коэффициент рассеивания теплоты.

6. Определяется мощность перекачивающего насоса 15:

„ С7НИТ,(рвь,х_рвх)

ЛЛ 5 --'■-.

15 Р-Пе

Здесь и далее Сгнит - расход теплоносителя НИТ; р - плотность теплоносителя НИТ, т]е - эффективный КПД насоса.

Далее производится расчет теплонасосной установки, служащей для подогрева газа перед детандером (ТНУ-1).

7. Определяется расчетная температура испарения хладагента:

= + нит _ а

•"И — '•вх "и-

Здесь и далее недогревы обозначены как в.

8. Определяются параметры в основных точках цикла. Параметры хладагента на выходе из испарителя ТНУ-1 определяются по значению температуры

испарения <:„: р13 = = Кг" = АО. = /СО-

Энтальпия хладагента на выходе из компрессора определяется по формуле

/•1,вых \ _ ьвых ьвых _ Ьвых , (."к, ТНУ-1^ »13

к, тну-1 — "13 ^ к •

Ч 01

при этом энтальпия на выходе из компрессора при изоэнтропном сжатии определяется по температуре хладагента и энтропии: 1£ытну-1 = едга + ®под; Стну-1 = (^Гтну-Ос = /(рГтну-1; Стну-0- Температура хладагента на выходе из пароохладителя = ^хгаз + 0По,2- Давление в пароохладителе Рпо = /(ск,ьтиу-1; ^к^тну-О' энтальпия на выходе из пароохладителя од тну-1 = /(Рпо; Параметры хладагента на выходе из дросселирую-

щего устройства определяются из условия процесса изоэнтальпийного дросселирования: Тну-1 = Параметры хладагента на входе в испаритель определяются по энтальпии НЦ и давлению р13: ^ = /(Л™; р13), ^з = №$-, р13).

9. Расход хладагента в контуре ТНУ-1: СтйУ_! = тт^—-г?

V к, ТНУ-1_ЛПО, ТНУ-1/^

10. Определяется расход теплоносителя НИТ в испаритель ТНУ-1:

(?13 = С1НзИТ-(СИТ-® Ч-

11. Определяется расход электроэнергии на собственные нужды модуля

«ДГА+ТНУ-1». Мощность компрессора ТНУ-1: ЛГ&у-! = ТНУ"1 " •

чиас'чзд

Мощности перекачивающих насосов 14 и 35: --21-—.

12. Мощность, направляемая потребителю и на ТНУ-2 от модуля «ДГА+ТНУ-1»: Щ' = Лдгд - - - ЛГ15 - /У35.

Температура газа на входе в детандер Сд*А является оптимальной, если

Л^ имеет максимальное значение.

Далее производится расчет теплонасосной установки, служащей для тепло- и хладоснабжения потребителей. Предварительно определяется соотноше-

ние заданных тепловой QT и холодильной Qx нагрузок потребителя. Если соотношение тепловых нагрузок удовлетворяет условию Qr » Qx, то расчет ведется по методике варианта 1. Если же соотношение тепловых нагрузок удовлетворяет условию QT « Qx, то расчет целесообразно вести по методике варианта 2. Если тепловая и холодильная нагрузки сопоставимы между собой QT~QKI то в первом приближении в расчете ТНУ-2 не рассматриваются дополнительные те-плообменные аппараты 24 и 29. По исходным данным и одной из требуемых нагрузок (тепловой или холодильной) производится расчет ТНУ-2 и определяется величина второй нагрузки. Затем полученное значение сравнивается с заданным, а дальнейшие расчеты ведутся по одному из вариантов - 1 или 2.

Вариант 1: тепловая нагрузка значительно превышает холодильную нагрузку QT » Qy. В этом случае дополнительный теплообменный аппарат 24 схемы отключен, а теплообменный аппарат 29 включен.

13. Определяются параметры хладагента на выходе из испарителя ТНУ-2. По значению температуры теплоносителя потребителя на выходе из холодильной камеры 28 tXK n0Tp определяется температура промежуточного теплоносителя на входе в холодильную камеру: tnî,28 = ^хк.потр — Температура промежуточного теплоносителя на выходе из испарителя ТНУ-2 в соответствии с принятыми допущениями: t30 = t™i2a- Расчетная температура испарения хладагента в испарителе ТНУ-2: t„ = t30 - 0И. Параметры хладагента на выходе из испарителя ТНУ-2 находятся по значению температуры в испарителе t„:

р2з = A t„). hir = hj> = /(tj, s23 = s23// = /(t„).

14. Определяются параметры хладагента на выходе из компрессора ТНУ-2. Энтальпия хладагента на выходе из компрессора:

/•LBblX л _ивых

ьвых | ТНУ-2Jt "23

к, ТНУ-2 - 23 + К '

'loi

при этом энтальпия на выходе из компрессора при изоэнтропном сжатии определяется по температуре хладагента и энтропии: ¿к,ытну-2 = ^27 + ®под!

„ВЫХ _ „ //. ГЬВЫХ Л _ f fr,BbIX . „вых

SK,ТНУ-2 - s23 > С к, ТНУ-2)t - I ХРк, ТНУ-2' SK, ТНУ-2)■

15. Температура хладагента на выходе из пароохладителя: t"°x = t25 + 0по,2- Давление в пароохладителе рпо = /(^"тну-г! ^С'тну-2)• энтальпия на

выходе из пароохладителя /ino? тну-2 = /(Рпо! ¿вых)-

16. Параметры хладагента на выходе из дросселирующего устройства определяются из условия процесса изоэнтальпийного дросселирования: frno* тну-2 = Л23- Параметры хладагента на входе в испаритель: tf3 =

№1; Р23), s?3=fQif3: Р2з)-

17. Определяется расход хладагента в контуре ТНУ-2:

СГт-2 = <221/(ОКЫтну-2 - Щ1) • О-

18. Холодильная нагрузка испарителя: Q23 = йу-2 ' Шз* ~ ^гз)-Теплота, которую необходимо подвести к установке в дополнительном

теплообменном аппарате 29: Q29 = Q23 - Qx-

Расход промежуточного теплоносителя через испаритель ТНУ-2 определяется из уравнения вЦ = Q2з/(№з4 - ^зо) ■ О- При этом h3i = /(t34; Рз*)-

19. Определяется расход промежуточного теплоносителя через холодильную камеру из уравнения: Q2a = (G2£ — G^g) ' (^28Х ~ h31) • f.

20. Расход теплоносителя теплоты низкого температурного потенциала на дополнительный теплообменник 29: G™r — Q&/((Л™1 ~ • f).

21. Определяется мощность собственных нужд ТНУ-2. Мощность, потребляемая компрессором ТНУ-2: WfHy_2 = *' гау~2——, мощность на-

^мех'^зд

coca, перекачивающего теплоноситель НИТ: № =-:————.

Р-'Пе

22. Электроэнергия, переданная установкой в сеть, определяется учетом затрат энергии на приводы компрессоров и перекачивающих насосов ТНУ-1 и ТНУ-2: Nd = %д - WTV_! - у_2 -^14 -^15-^35-

Эксергетический КПД:

_ ._&16 + ^27 + ^28_

^ - (Ег + Е25 + + + £Ц) - (£-3 + Я24 + ЯзТ + Я3Т + Я3Т) ' Эксергия электроэнергии: Е16 = W3. Эксергия воды, направляемой тепловому потребителю: Е27 = G0T ■ [(h0T - h0) - Г0 • (s0T - s0)]. Эксергия холода: Е2а=^~-Т0-

(С RX _ овых"\

^28 ¿28 )•

Эксергии газа на входе и выходе из станции понижения давления соответственно: Ех = Gr ■ [(h? - h0) - Го ■ fe" - s0)], E3 = Gr ■ [(h™*7 - h0) - T0 ■ (s» 7 - s0)]. Эксергия воды, поступающей от теплового потребителя в установку: Е25 = Сот ■ [(/io6p - k0) - Т0 ■ (so6р - s0)]. Эксергии НИТ на входе в установку: El7 = С"ит ■ [(h™7 — h0) — Т0 • (s™J — s0)], Е§д = С"3ИТ • [(h™i3 — h0) — Т0 • (s™iT3 _ so)]. e39 = ■ [(Л™2Т9 - ho) - То • (s™2T9 - s0)]. Эксергии НИТ на выходе из установки: £3т = С"ит • [(/Ibh£7 ho) — То • (s™H7 — s0)], £|ах = G™7 • [(Щ^з - h0) — Т0 •

(-НИТ _ _ Y1 свых _ Г,ЖТ . ГСьНИТ _ h \ _ т , (..НИТ _ - \1 1,5выхДЗ 50Л|> с39 -"29 |Л"вых,29 n0j '0 ^вых,29 soJJ-

Эксергия теплоты, передаваемой окружающей среде в теплообменнике 24:

Г — ^24 m /СВХ _ СВЫХЧ

с24--^--'О W24 ¿24 }■

Вариант 2: холодильная нагрузка значительно превышает тепловую нагрузку Qx » Qt В этом случае дополнительный теплообменный аппарат 29 схемы отключен, а теплообменный аппарат 24 включен. Определяются параметры хладагента в соответствии с п.п. 13 — 16 варианта 1.

23. Расход хладагента в контуре ТНУ-2: СтнУ_2 = <3гз/С1!"х - ^гз)-

24. Тепловая нагрузка пароохладителя:@21 = ^тну-2 " (^."тиу-г ~ Мя^г)'

25. Тепловая нагрузка теплообменника 24: Q24 = Q2i - QT-

26. Расход нагреваемой воды через пароохладитель ТНУ-2:

^от 2i = расход воды, направляемой потребителю: Сот = -—г—.

' «21 21 "от 10бр

При этом h27 = /(t27;pB),/iXK = f(t25; Рв)- Температуры нагреваемой воды на входе t25 и выходе t27 из установки задаются в соответствии с температурным графиком теплосети.

Далее расчет производится в соответствии с п.п. 21-22 варианта 1. Разработанные математические модели и алгоритмы расчета используются для анализа эффективности работы установок.

В четвертой главе были проведены расчетные исследования тригенера-ционных установок для следующих режимов их работы: 1) обеспечение собственных нужд предприятия (кондиционирование, отопление и горячее водоснабжение) с полной продажей производимых излишков теплоты и холода; 2) обеспечение тепловой и холодильной нагрузок стороннего потребителя (холо-доснабжение, горячее водоснабжение) при постоянных значениях объемов вырабатываемых теплоты и холода.

При расчете параметров работы бестопливной тригенерационной установки в качестве рабочего тела всех ТНУ рассматривался хладагент 11744 (С02). Расчетные исследования проводились для климатических условий г. Москвы для температур наружного воздуха: минус 28°С, минус 3,1°С, 8°С, 15°С, 37°С. Принятыми исходными данными являются следующие: расход транспортируемого газа йг =53 кг/с; давление газа на входе и на выходе станции технологического понижения давления газа рвх = 1,2 МПа и рВЬ1Х = 0,2 МПа соответственно; температура газа на входе на станцию технологического понижения давления газа £ех = 0°С; источником БИТ для тепловых насосов является вода из природного либо антропогенного источника; газ подогревается в ДГА до температуры, обеспечивающей энтальпию на выходе из установки, равную энтальпии на входе на станцию понижения давления; внутренний относительный КПД компрессора и детандера - 0,85; электромеханический КПД генератора и двигателя компрессора - 0,95; коэффициент рассеивания теплоты - 0,995; разность температур хладагента на входе в пароохладитель (конденсатор) ТНУ и теплоносителя на выходе из пароохладителя 0под=5°С; разность температур хладагента на выходе из пароохладителя (конденсатора) ТНУ и теплоносителя на входе в пароохладитель бП0 2=10оС; разность температур НИТ на входе в испаритель ТНУ и хладагента на выходе из него би=5°С.

По результатам расчетов было проведено сравнение термодинамических характеристик схем тригенерационных установок. Критерием определения эффективности был принят эксергетический КПД. Первый этап расчетов посвящен оптимизации распределения подогрева газа в ДГА (расчет модуля «ДГА+ТНУ-1»). На рисунке 3 представлены зависимости полезной отпускаемой мощности модуля «ДГА+ТНУ-1» от температуры газа на входе в детандер и температур источника низкопотенциальной теплоты.

Температура газа на входе в детандер, "С Рисунок 3 - Зависимость полезной мощности детандер-генераторной установки с подогревом газа до и после детандера от температуры газа на входе в детандер и температуры источника низкопотенциальной теплоты

При принятых условиях расчета оптимальное значение температуры газа на входе в детандер возрастает от 60 до 70°С при изменении температуры источника теплоты низкого температурного потенциала от 5 до 30°С.

На втором этапе расчетных исследований определялись параметры работы тригенерационных установок в целом. Расчеты проводились для оптимальных значений температур газа на входе в детандер. Холодильная и тепловая нагрузки потребителей, а также температурный график теплосети представлены в таблице 1. Температура в холодильной камере составляет 0°С. Режим №2 включает в себя два варианта работы ТНУ-2 для совместной генерации теплоты и холода в составе бестопливной тригенерационной установки на базе ДГА и двух ТНУ. Вариант А характеризуется избыточной теплопроизводительностью пароохладителя ТНУ-2, при этом включается теплообменный аппарат 24, позволяющий отводить невостребованное тепло от установки (рисунок 2). Вариант Б характеризуется недостаточным поступлением теплоты низкого температурного потенциала из холодильной камеры, поэтому включается теплообменный аппарат 29 (рисунок 2). На рисунках 4-5 представлены результаты расчетных исследований тригенерационных установок на базе ДГА и ТНУ.

Таблица 1 - Холодильная и тепловая нагрузки потребителей, температурный график тепловой сети _

Наименование Температура окружающей среды, °С

-28 -3,1 8 15 37

Режим №1

Холодильная нагрузка, кВт 1,0 2,0 502,2 1506,4 2019,6

Тепловая нагрузка, кВт 1408,87 684,13 364,0 56,0 56,0

Температура воды, направляемой тепловому потребителю, °С 130 70 55 55 55

Температура воды, поступающей от теплового потребителя, °С 60 40 8 15 30

Режим №2

Холодильная нагрузка, кВт (вариант А) 1000 1000 1000 1000 1000

Тепловая нагрузка, кВт(вариант А) 1200 1200 1200 1200 ¡200

Холодильная нагрузка, кВт (вариант Б) 900 900 900 900 900

Тепловая нагрузка, кВт (вариант Б) 1200 1200 1200 1200 1200

Температура воды, направляемой тепловому потребителю, °С 75 60 55 55 55

Температура воды, поступающей от теплового потребителя, "С 5 5 15 15 15

юооо

-3,1 8 15 „„

Температура окружающей среды, С

а)

9 800 5 н 9700 В <§ 9600 | g 9500 S § 9400 § ¡ 9300 | 0 9200 о 9100

9000 i i i i м -28

-3,1 8 15

Температура окружающей среды, °С

б)

37

Рисунок 4 — Зависимость полезной мощности тригенерационных установок от температуры окружающей среды при работе в режимах №1 (а) и №2 (вариант А) (б) 0,70

.0,70

0,65

Температура окружающей средь^ °С

а)

0,55

0,50

Г П'| 1 I ГТТТ1 I I I I I

-28

-3,1 8 15

Температура окружающей среды, °С

б)

37

Рисунок 5 - Зависимость эксергетического КПД тригенерационных установок от температуры окружающей среды при работе в режимах №1 (а) и №2 (вариант А) (б)

Сопоставительный анализ результатов расчетов схем тригенерационных установок показывает, что при работе установок в режиме №1 наибольшая отпускаемая мощность соответствует диапазону температур наружного воздуха от минус 3,1 до 15°С. Максимальные значения полезной мощности установок составляют 9 442 кВт для схемы №1,9 406 кВт для схемы №2, 9 544 кВт для схемы №3. В целом наименьшее влияние параметры окружающей среды оказы-

вают на установку с котельным агрегатом в составе (схема №3), однако при температурах наружного воздуха мощность установки резко снижается с 9,5 МВт до 8,3 МВт. Этот эффект обусловлен возрастанием мощности компрессора ТНУ-2, предназначенной только для производства холода, что, в свою очередь, объясняется изменением конфигурации цикла при высоких температурах окружающей среды. Такой же эффект характерен для схемы №2. В диапазоне температур наружного воздуха от 20 до 37°С наибольшей полезной мощностью обладает тригенерационная установка с ТНУ-2 для совместной генерации теплоты и холода.

При работе установок в режиме №2 полезная мощность схемы №1 триге-нерационной установки с ростом температуры окружающей среды возрастает с 9 274 кВт до 9 796 кВт, что связано со снижением затрат электроэнергии на собственные нужды установки. Полезная мощность схем №2 и №3 с ростом температуры окружающей среды изменяется на 119 кВт и 63 кВт соответственно. При сопоставительном анализе режимов №1 и №2 работы тригенерацион-ных установок можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на отпускаемую мощность установок оказывают тепловая и холодильная нагрузки потребителей и параметры окружающей среды, определяющие величины собственных нужд.

Зависимость эксергетического КПД тригенерационных установок от температуры окружающей среды при их работе в режиме №1 имеет максимумы для схем №1 и №2 при 8°С, для схемы №3 — при минус 3,1 °С. Эксергетический КПД тригенерационных установок при их работе в режиме тепло- и хладо-снабжения стороннего потребителя с постоянными нагрузками снижается с ростом температуры окружающей среды. Наибольшими значениями эксергетического КПД во всем диапазоне рассматриваемых температур окружающей среды характеризуется схема бестопливной тригенерационной установки на базе ДГА и двух ТНУ (схема №1). Наименьшими значениями эксергетического КПД во всем диапазоне рассматриваемых температур окружающей среды характеризуется схема тригенерационной установки на базе ДГА, двух ТНУ и котельного агрегата (схема №3). Значения эксергетического КПД тригенерационных установок для вариантов А и Б различаются незначительно при прочих равных условиях.

В пятой главе проведена технико-экономическая оценка эффективности инвестиций в тригенерационные установки. Расчет технико-экономических показателей работы установок проводился в соответствии с общепринятыми методическими положениями. Цена холода определялась исходя из затрат электрической энергии на привод компрессора ТНУ, производящей только холод с параметрами и в объеме, принятыми в диссертационном исследовании. Тариф на холод принят равным 13% тарифа на электрическую энергию.

Основные исходные данные: начало расчетного периода - 01.01.2015 г.; срок службы оборудования - 15 лет; длительность проектных, монтажных и пусконаладочных работ - 1 год; норма дисконта - 10%; численность эксплуатационного персонала для схем №1 и №2 - 7 чел., для схемы №3 - 8 чел. Затраты (в размере от стоимости основного оборудования) на проектно-изыскательские

работы - 3%; на вспомогательное оборудование и КИП - 40%; на строительно-монтажные и пусконаладочные работы - 45%; на непредвиденные расходы -10%. Расчет стоимости основного оборудования производился по удельным показателям: стоимость 1 кВт установленной мощности ДГА - 735 $/кВт (26 695 руб./кВт); стоимость 1 кВт установленной мощности ТНУ-1, холодильной машины ТНУ-2, ТНУ-3 - 280 €/кВт (13 986 руб./кВт); стоимость 1 кВт установленной мощности ТНУ-2 для совместной выработки теплоты и холода -300 €/кВт (14 985 руб./кВт); удельные капитальные вложения в котельный агрегат - 500 руб./кВт.

Отмечено, что при применении бестопливных тригенерационных установок (схемы №1 и №2) выбросы продуктов сгорания органического топлива в атмосферу отсутствуют.

Анализ полученных значений критериев технико-экономической эффективности схем тригенерационных установок позволяет сделать вывод о целесообразности реализации всех предложенных схем. При принятых условиях расчета все проекты окупятся не более чем за 8 лет. Наибольшим сроком окупаемости характеризуется схема №2 при ее работе в режиме №1 (7,985 лет). Наименьшим сроком окупаемости характеризуется схема №1 при ее работе в режиме №2 (вариант Б) (7,277 лет). В целом максимальные сроки окупаемости всех схем установок соответствуют режиму работы №1. Чистый дисконтированный доход положителен для всех рассмотренных схем и режимов работы установок. Максимальная величина чистого дисконтированного дохода соответствует работе схемы №1 в режиме №2 (вариант А) и составляет 794,85 млн. рублей. Минимальная величина чистого дисконтированного дохода соответствует работе схемы №3 в режиме №1 и составляет 669,98 млн. рублей. Внутренняя норма доходности всех схем тригенерационных установок превышает 21%. Режим №1 характеризуется наименьшими значениями внутренней нормы доходности - от 21,02 до 22,09%. Для режима №2 работы установок IRR принимает значения в диапазоне 22,57 - 23,27%, при этом наибольшие значения 23,26% и 23,27% соответствуют вариантам А и Б для схемы №1. Индекс прибыльности для всех схем и режимов работы установок превышает единицу. Наименьшие значения индекса прибыльности 1,553 - 1,616 соответствуют режиму №1. Наибольшие значения PI 1,611 - 1,705 соответствуют варианту Б режима №2. Максимальное значение PI составляет 1,705 и соответствует схеме №1.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

При выполнении диссертационного исследования были получены следующие результаты.

1 Впервые разработаны научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.

2 Впервые разработаны методики определения показателей эффективности работы бестопливных тригенерационных установок.

3 Проведен термодинамический анализ схем бестопливных тригенерационных установок, результаты которого показали следующее:

— оптимальное значение температуры газа на входе в детандер соответствует максимальной полезной мощности модуля «ДГА+ТНУ-1». При принятых условиях расчета оптимальное значение температуры газа на входе в детандер составляет 60 — 70°С;

— наибольшей эффективностью характеризуется схема тригенерационной установки на базе ДГА и ТНУ для совместного производства теплоты и холода (схема №1) во всех рассмотренных режимах работы. Эксергетические КПД данной схемы практически во всем диапазоне изменения температур окружающей среды превышают значения схем с раздельной генерацией теплоты и холода на 1,6 - 14,8%.

4 Проведена оценка технико-экономической эффективности тригенераци-онных установок, результаты которой свидетельствуют о том, что наилучшими технико-экономическими показателями характеризуется бестопливная тригене-рационная установка на базе ДГА и ТНУ для совместного производства теплоты и холода (схема №1). Таким образом, с точки зрения технико-экономических показателей, при принятых в диссертационном исследовании условиях эффективность совместной выработки теплоты и холода в тригенерационной установке выше, чем их раздельная генерация.

5 Наиболее предпочтительным режимом работы установок является режим обеспечения тепловой и холодильной нагрузок стороннего потребителя (холо-доснабжение, горячее водоснабжение) при постоянных значениях объемов вырабатываемых теплоты и холода (режим №2).

Таким образом, в работе изложены новые научно обоснованные технические и технологические решения, позволяющие достичь целей государственного регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности; задачи исследования решены, а цель достигнута: разработана перспективная структура энергетических систем и комплексов, способствующая повышению их экономичности, эффективности и снижению вредного воздействия на окружающую среду.

Результаты диссертационного исследования могут бьггь использованы следующим образом.

1 При проведении теоретических исследований технологии тригенерации, в том числе для условий, отличных от принятых в данном исследовании.

2 При проектировании экспериментального образца ТНУ для совместной генерации теплоты и холода.

3 При модернизации газотранспортной системы России с целью повышения эффективности и экономичности ГРС, ГРП и КС.

4 При разработке и реализации энергосберегающих мероприятий на предприятиях - крупных потребителях природного газа.

5 При модернизации и развитии систем распределенной генерации электрической энергии и теплоты.

Перспективы дальнейшей разработки темы включают в себя:

— анализ работы установок при иных тепловой и холодильной нагрузках;

— исследование влияния применения в качестве рабочих тел ТНУ других перспективных хладагентов на показатели термодинамической и технико-экономической эффективностей работы установок;

— экспериментальные исследования технологии тригенерации.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1 Рогова, A.A. Подогрев воздуха в воздушной теплонасосной установке / B.C. Агабабов, A.A. Гаряев, A.A. Рогова // Энергосбережение и во-доподготовка.-2011. - № 6 (74). - С. 26-28.

2 Рогова, A.A. Развитие технологии производства электроэнергии, теплоты и холода / B.C. Агабабов, A.A. Рогова // Тезисы докладов XVIII междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т 3, - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 270.

3 Рогова, A.A. Исследование природы бестопливных установок для одновременной генерации электроэнергии, теплоты и холода / B.C. Агабабов, A.A. Рогова // Национальная конф. «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» - ИТАЭ-80, Тез. докл. М: Издательский дом МЭИ, 2012. - С.30-32.

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

5 Установка для подачи биогаза в газопровод природного газа: пат. 115879 Рос. Федерация: МПК F25B 27/00 / Агабабов B.C., Смирнова У.И., Рогова A.A.; заявитель и патентообладатель ООО «Интехэнерго-инжиниринг». - № 2011153068/06; заявл. 27.12.2011; опубл. 10.05.2012, Бюл. №13. - 2 е.: ил.

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

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

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

9 Агабабов, B.C. Повышение термодинамической эффективности работы бестопливной установки для производства электроэнергии путем использования энергии возобновляемых источников / B.C. Агабабов, У.И.

Смирнова, Ю.О. Байдакова, A.A. Рогова // Вестник МЭИ. - 2012. - № 4. - С. 5-9.

10 Агабабов, B.C. Экспериментальные исследования режимов работы те-плонасосной установки при совместной выработке теплоты и холода / B.C. Агабабов, A.A. Сухих, К.И. Кузнецов, A.A. Рогова, A.A. Корпгакова // Новое в российской электроэнергетике. - 2012. - № 9. - С. 26-38.

11 Рогова, A.A. Алгоритм расчета критерия эффективности работы бестопливной энергогенерирующей установки на базе ДГА / B.C. Агабабов, A.A. Рогова // Повышение эффективности энергетического оборудования: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Санкт-Петербург, 2012. - Т. 1. - С. 428-441.

12 Рогова, A.A. Перспективы развития бестопливных тригенерационных технологий / B.C. Агабабов, A.A. Рогова // Энерпия - 2013: материалы VIII Междунар. науч.-технич. конф. - Иваново, 2013. - С. 186-187.

13 Рогова, A.A. Технико-экономическая эффективность тригенерационных установок / A.A. Рогова // Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVII Бенардосовские чтения): материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Иваново, 2013. - Т. 2. - С. 187-189.

14 Клименко, A.B. Оценка технико-экономической эффективности три-генерации в парогазовой установке с парокомпрессионным тепловым насосом / A.B. Клименко, В.Д. Рожнатовский, B.C. Агабабов, A.A. Рогова, Ю.О. Байдакова, П.А. Тидеман // Новое в российской электроэнергетике. - 2013. - № 12. - С. 5-14.

15 Клименко, A.B. Схемы ПГУ-КЭС и ПГУ-ТЭЦ с системами одновременного производства тепла и холода / A.B. Клименко, B.C. Агабабов, A.A. Рогова, П.А. Тидеман // Энергосбережение и водоподготовка.-2014. -№1(87).-С. 20-23.

Подписано в печать /'„0, >0!). Х0Н\ Г. зак. /¿7 Тир. Ю0 П.л. I Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201460714

Рогова Анна Андреевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ТРИГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК НА БАЗЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА И

ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

<4.

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Москва, 2014 год

Оглавление

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

1 Обзор литературных источников, посвященных тематике исследования...........10

1.1 Тригенерационные установки................................................................................10

1.2 Детандер-генераторные агрегаты..........................................................................17

1.3 Теплонасосные установки......................................................................................28

1.4 Объект исследования..............................................................................................33

1.5 Предмет исследования............................................................................................33

1.6 Исследовательские средства, необходимые для решения задачи......................34

1.7 Этапы проведения исследования...........................................................................34

2 Природа и теория функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе ДГА и ТНУ. Разработка схем установок.....................................36

2.1 Схемы бестопливной тригенерационной установки с совместной генерацией теплоты и холода.......................................................................................42

2.1.1 Структурная схема установки.............................................................................42

2.1.2 Структурные схемы элемента тригенерационной установки, предназначенного для генерации теплоты и холода.................................................44

2.1.3 Технологическая схема тригенерационной установки....................................51

2.2 Схемы бестопливной тригенерационной установки с раздельной генерацией теплоты и холода.......................................................................................56

2.2.1 Структурная схема установки.............................................................................56

2.2.2 Технологическая схема тригенерационной установки....................................59

2.3 Схемы тригенерационной установки с раздельной генерацией теплоты и холода на базе ДГА, ТНУ и котельного агрегата......................................................62

2.3.1 Структурная схема тригенерационной установки............................................63

2.3.2 Технологическая схема тригенерационной установки....................................65

3 Разработка математических моделей и алгоритмов расчета параметров работы тригенерационных установок......................................................................... 68

3.1 Критерии оценки эффективности работы тригенерационных установок.........68

3.2 Условия моделирования.........................................................................................71

3.3 Математическая модель бестопливной тригенерационной установки с ДГА

и двумя парокомпрессионными ТНУ..........................................................................73

3.3.1 Математическое описание детандер-генераторной установки.......................73

3.3.2 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-1.........................74

3.3.3 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-2.........................75

3.3.4 Баланс электроэнергии в установке...................................................................76

3.3.5 Эффективность установки...................................................................................77

3.4 Алгоритм расчета параметров работы бестопливной тригенерационной установки с ДГА и двумя парокомпрессионными ТНУ...........................................79

3.5 Математическая модель бестопливной тригенерационной установки с ДГА

и тремя парокомпрессионными ТНУ..........................................................................87

3.5.1 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-2, предназначенной для выработки холода....................................................................87

3.5.2 Математическое описание теплонасосной установки ТНУ-3, предназначенной для выработки теплоты..................................................................88

3.5.3 Баланс электроэнергии в установке...................................................................89

3.5.4 Эффективность установки...................................................................................90

3.6 Алгоритм расчета параметров работы бестопливной тригенерационной установки с ДГА и тремя парокомпрессионными ТНУ............................................92

3.7 Математическая модель тригенерационной установки с ДГА, двумя парокомпрессионными ТНУ и котельным агрегатом...............................................96

3.7.1 Математическое описание котельного агрегата...............................................96

3.7.2 Баланс электроэнергии в установке...................................................................97

3.7.3 Эффективность установки...................................................................................98

3.8 Алгоритм расчета параметров работы тригенерационной установки с ДГА,

двумя парокомпрессионными ТНУ и котельным агрегатом..................................100

4 Термодинамический анализ схем тригенерационных установок.......................103

4.1 Оптимизация распределения подогрева газа в ДГА..........................................104

4.2 Результаты расчета параметров работы установок в режиме №1...................112

4.3 Результаты расчета параметров работы установок в режиме №2...................120

5 Технико-экономическая оценка эффективности инвестиций в строительство тригенерационных установок....................................................................................129

5.1 Критерий оценки технико-экономической эффективности работы тригенерационных установок....................................................................................130

5.2 Исходные данные..................................................................................................131

5.3 Оценка капитальных вложений...........................................................................136

5.4 Показатели технико-экономической эффективности работы установки........142

Заключение...............................................................................................................148

Список сокращений и условных обозначений......................................................151

Список литературы..................................................................................................152

Введение

Актуальность темы исследования определяется государственной энергетической политикой Российской Федерации, закрепленной «Энергетической стратегией России на период до 2030 года». Одной из целей государственного регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности является снижение потребления невосполняемых энергоносителей (углеводородов) на единицу вырабатываемой продукции. В связи с этим энергетическая стратегия предусматривает: увеличение доли нетопливных источников энергии в потреблении первичных топливно-энергетических ресурсов; развитие малой и децентрализованной энергетики; снижение негативного воздействия электроэнергетики на окружающую среду на основе применения наилучших технологий; модернизацию и развитие систем децентрализованного теплоснабжения с применением высокоэффективных установок, в том числе теплонасосных; развитие систем распределенной генерации тепла с вовлечением в теплоснабжение возобновляемых источников энергии [1].

Для решения поставленных задач целесообразно применять перспективные способы производства электрической энергии. Одним из высокоэффективных методов генерации электроэнергии является детандер-генераторная технология, основанная на использовании технологических перепадов давления транспортируемого природного газа для выработки электроэнергии при помощи детандер-генераторных агрегатов (ДГА) на станциях технологического понижения давления газа в системах газоснабжения. Область применения ДГА включает в себя газораспределительные станции (ГРС), газорегуляторные пункты (ГРП) и компрессорные станции (КС) всех крупных потребителей газа.

В последние годы в нашей стране и за рубежом детандер-генераторной технологии уделяется большое внимание. Были разработаны различные схемы установок на базе детандеров, в том числе с применением тепловых насосов,

обеспечивающих выработку как электроэнергии, так и теплоты. Однако вопросы обеспечения работы такого рода установок в режиме тригенерации, т.е. с одновременным производством электроэнергии, теплоты и холода, не рассматривались.

На сегодняшний день тригенерационные технологии востребованы в пищевой, химической, металлургической, ресурсодобывающей промышленности, в бытовом секторе и сфере услуг. Использование тригенерационных технологий позволит не только снизить энергоемкость производства электроэнергии, теплоты и холода по сравнению с их раздельной генерацией, но и повысить экологические характеристики современных технологических комплексов.

В рамках диссертационного исследования разработан метод бестопливной одновременной генерации электроэнергии, теплоты и холода за счет использования технологических перепадов давления транспортируемого природного газа и низкопотенциальной теплоты вторичных энергетических ресурсов и/или окружающей среды, а также предложен способ реализации данного метода на установках, включающих в себя детандер-генераторные агрегаты и тепловые насосы. Проведен анализ термодинамической эффективности работы предложенных впервые схем тригенерационных установок на базе детандер-генераторных агрегатов и тепловых насосов.

Степень разработанности темы исследования достаточно высока при принятых при выполнении работы условиях. Предложены как структурные, так и технологические схемы тригенерационных установок. Рассмотрены вопросы подогрева газа в детандер-генераторном агрегате за счет теплоты низкого температурного потенциала с использованием преобразователей теплоты и без них. Рассмотрены различные способы генерации теплоты и холода в тригенерационных установках с применением различного оборудования. Отмечены преимущества и недостатки представленных технических решений, позволяющие определить оптимальные условия для реализации того или иного решения.

Цели и задачи исследования. Цель исследования заключается в разработке перспективной структуры энергетических систем и комплексов, способствующей повышению их экономичности, эффективности и снижению вредного воздействия на окружающую среду.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Разработать научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.

2 Разработать методики определения показателей эффективности работы бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.

3 Выполнить термодинамический анализ схем тригенерационных установок.

4 Провести оценку технико-экономической эффективности тригенерационных установок.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1 Разработаны научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов.

2 Разработаны методики определения эффективности бестопливных тригенерационных установок.

3 Проведен анализ термодинамической эффективности схем тригенерационных установок.

4 Проведена оценка экономической эффективности инвестиций в строительство установок.

Теоретическая значимость работы состоит в сформулированных впервые научных основах технологии бестопливной тригенерации, принципах функционирования бестопливных тригенерационных установок, а также в предложенных методиках определения эффективности работы установок,

основанных на разработанных математических моделях и алгоритмах расчета параметров и критериев эффективности работы установок.

Практическая значимость работы определена разработанными схемами бестопливных тригенерационных установок на основе ДГА и ТНУ, а также возможностью обеспечения оптимального режима работы установок в различных условиях с применением разработанных методик определения эффективности.

Методология и методы исследования, применяемые в диссертационной работе, включают в себя общенаучные теоретические методы исследования, в том числе:

— анализ;

— синтез;

— абстрагирование;

— моделирование;

— системный анализ. Положения, выносимые на защиту.

1 научные основы и принципы функционирования бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;

2 схемы бестопливных тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;

3 методики определения эффективности работы установок;

4 математические модели тригенерационных установок;

5 алгоритмы расчета параметров работы и критериев эффективности тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосов;

6 результаты анализа термодинамической эффективности тригенерационных установок;

7 результаты оценки технико-экономической эффективности инвестиций в строительство тригенерационных установок.

Степень достоверности результатов диссертационного исследования обусловлена корректным применением допущений при построении математических моделей, опирающихся на фундаментальные и регламентированные общепринятыми нормативными материалами закономерности в области термодинамики, применением современных программных комплексов для определения термодинамических свойств веществ, а также использованием общеизвестной методики проведения технико-экономических расчетов.

Апробация результатов исследования. Результаты работы были представлены на Днях науки в Институте прикладных наук Лаузитц (Wissenschaftstage der Hochschule Lausitz (FH)), г. Коттбус (Hochschule Lausitz, Cottbus), 2011 г. и 2012 г.; VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2012 г.; Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС», г. Москва, 2012 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в промышленности», г. Чебоксары, 2012 г.; VII ежегодной Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.; VIII Международной научно- технической конференции «Энергия - 2013», г. Иваново, 2013 г.; Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVII Бенардосовские чтения)», г. Иваново, 2013 г.

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

1 Обзор литературных источников, посвященных тематике исследования

В настоящем разделе представлен обзор основных литературных источников (публикации в периодической научно-технической печати; нормативная, методическая и иная научно-техническая литература) в области бестопливных установок, тригенерационных установок и их составляющих.

1.1 Тригенерациоиные установки

Тригенерацией называют процесс комбинированного получения электрической энергии, тепла и холода. Тригенерация подразумевает получение трех видов продукции - электроэнергии, теплоты и холода - в одном технологическом комплексе.

Интерес изобретателей к вопросам получения электричества, теплоты и холода в одной установке заметно повысился в период 2007 - 2011 гг. по сравнению с 1998 - 2006 гг. как в России, так и в других странах. В первую очередь, это связано с преимуществами тригенерационных систем. Тригенерация позволяет не только полезно использовать (утилизировать) низкопотенциальную теплоту энергогенерирующих установок, но и повысить их экологические показатели, а в случае сжигания органического топлива - увеличить коэффициент использования топлива. Кроме того, тригенерациоиные системы являются эффективным средством удовлетворения потребностей потребителя в электроэнергии, теплоте и холоде, необходимых как для реализации технологических процессов различных отраслей промышленности, так и в сфере услуг и жилищно-коммунальном хозяйстве.

Анализ литературных источников [2 - 21] позволил провести классификацию тригенерационных установок по следующим аспектам:

и

• по способу производства продукции;

• по виду используемого топлива.

По способу производства продукции можно выделить следующие типы тригенерационных установок:

• установки с сезонным производством видов продукции;

• установки с одновременным производством электроэнергии, теплоты и холода.

По виду используемого топлива тригенерациоиные установки можно разделить на:

• установки, работающие на органическом топливе;

• установки, использующие в качестве топлива возобновляемые источники энергии (ВИЭ);

• установки, использующие технологический перепад давления транспортируемого газа для выработки электроэнергии.

В установках с сезонным производством видов продукции выработка электроэнергии и теплоты или электроэнергии и холо