science-review.ru
Введение
Повышение эффективности работы энергетического оборудования является важной задачей в формировании цен на отпуск энергии потребителям. Уровень себестоимости тепловой и электрической энергии влияет на тарифы для населения и на издержки промышленных предприятий, что, в свою очередь, определяет себестоимость выпускаемой ими продукции. Поэтому поиск и реализация способов повышения энергетической эффективности энергоустановок является важной задачей, влияющей на формирование тарифов на энергию для потребителей.
Наиболее массовым видом энергетического оборудования остаются в нашей стране паротурбинные установки. Активно применяются также газотурбинные установки. Коэффициент полезного действия паротурбинных установок конденсационного типа достигает 37 %, теплофикационного типа – 55 %, эффективность газотурбинных установок достигает 45 %, эффективность комбинированного парогазового цикла может достигать 65 %.
Для выявления путей повышения эффективности паротурбинных установок произведем анализ энергетических потерь паротурбинных установок. Наиболее популярные решения при повышении эффективности паротурбинных установок – повышение начальных параметров пара. Однако этот метод требует значительного изменения конструкции энергоблока и применения дорогостоящих материалов [1]. Наибольшие потери, до половины энергии паротурбинных энергетических установок, составляют потери энергии на конденсацию. Следующие по величине потери с уходящими газами, около 10 %. Трудность использования этих потерь состоит в их низком потенциале. Температура технической воды после охлаждения конденсатора не превышает 40 ºС. Температура уходящих газов достигает 150 ºС, но они содержат водяные пары и оксиды серы, которые при охлаждении образуют серную кислоту, разрушающую оборудование.
Рассмотрим пути возврата низкопотенциальной теплоты и использование ее для производства полезной энергии. Утилизацию низкопотенциальной теплоты выполняют с помощью тепловых насосов [2] и органического цикла Ренкина [3]. Использование тепловых насосов позволяет найти пути использования низкопотенциального тепла при затрате меньшего количества высокопотенциальной энергии [4]. Ограничением по применению тепловых насосов является график теплового потребления. При отсутствии теплового потребления эффективность использования паротурбинных установок снижается. С помощью органического цикла Ренкина возможно производство электрической энергии с использованием низкопотенциального источника тепла. Существуют проекты по использованию производственных и теплофикационных отборов для подогрева органического рабочего тела, что снизит отбор пара в конденсатор и повысит эффективность паротурбинной установки [5]. Рассмотрим эффективность работы этих способов утилизации теплоты.
Выброс тепловой энергии в атмосферу вызывает тепловое загрязнение [6]. При этом охлаждение конденсатора требует значительных объемов воды. Существуют сложности в эффективности охлаждения конденсатора для поддержания вакуума в конденсаторе. Ограничение использования технической воды для охлаждения конденсатора существует не только в городской среде, но и в отдаленных заповедных территориях [7].
Цель исследования – повышение эффективности паросиловых турбинных установок с помощью применения тепловых насосов и органического цикла Ренкина. Тепловые насосы позволяют использовать низкопотенциальное тепло конденсатора паротурбинной установки для подогрева сетевой воды и органического цикла Ренкина. Использование органического цикла Ренкина позволяет исключить работу паровой турбины в области влажного пара.
Материалы и методы исследования
Работа основана на анализе и теоретических исследованиях. Теоретические расчеты выполнены с помощью решения балансовых уравнений тепловых схем паросиловых турбинных установок с тепловыми насосами. Тепловые насосы утилизируют низкопотенциальное тепло конденсатора и нагревают сетевую воду и рабочее тело органического цикла Ренкина.
Результаты исследования и их обсуждение
Тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Принцип действия компрессионных тепловых насосов заключается в реализации обратного цикла Карно. В теплообменнике происходит подогрев рабочего тела с помощью низкопотенциального источника тепла. В качестве низкопотенциального тепла выбрано тепло конденсатора, удаляемого в атмосферу. В результате подогрева рабочее тело – хладагент испаряется при низком давлении. После чего с помощью компрессора газообразное рабочее тело сжимается, в результате чего его температура увеличивается, и в теплообменнике отдают высокопотенциальное тепло. После расширения в дроссельном устройстве рабочее тело возвращается в цикл [8]. В абсорбционном тепловом насосе используется тепловая энергия вместо механической, используемой в компрессионном. Подвод теплоты осуществляется в два этапа: низкопотенциального в испаритель и греющего в генератор. Полезное тепло забирается последовательно сначала через абсорбер и после в конденсаторе [9].
Повышение эффективности компрессионного теплового насоса возможно с помощью применения промежуточного теплообменника, использующего производимое тепло для начального подогрева теплоносителя [10]. Применение компрессионного теплового насоса позволяет экономить энергию, затрачиваемую на производство тепловой энергии. Однако исследователи, выполняя расчеты, выполняют оценку эффективности работы насоса отдельно от энергетической установки. Электрическая энергия, используемая для привода компрессора, обладает большей эксергией, чем производимое ей тепло. При расчете эффективности энергоустановки увеличение показателей эффективности получается только при значительном увеличении теплового потребления и увеличении доли низкопотенциального теплового потребления, что требует изменения устройства конденсатора [7].
Работа абсорбционного теплового насоса основана на тепловом потреблении. В качестве источника теплового потребления могут использоваться теплофикационные отборы пара, и при изменении схемы работы вызывает уменьшение расхода пара на турбоустановку и общее повышение эффективности работы, даже при малом теплофикационном потреблении. Абсорбционные тепловые насосы более сложны и требуют агрегатов больших размеров.
Применение тепловых насосов наиболее целесообразно в летние месяцы. Из-за сложности охлаждения конденсатора требуется дополнительное охлаждение, определенную нагрузку может взять на себя тепловой насос. Однако в летние месяцы потребление тепловой энергии незначительно и требуются другие тепловые потребители [11]. Для организации дополнительного охлаждения применяют системы с дополнительным охлаждением [12].
Принцип работы энергетической установки на органическом цикле Ренкина аналогичен паротурбинному циклу, за исключением того, что в качестве рабочего тела используются жидкости с более низкими температурами кипения. Эффективный минимум использования органического цикла Ренкина начинается со 100 ºС, и такие турбоустановки используют в основном на геотермальных электростанциях [13]. Эффективность турбоустановки зависит от величины теплоперепада. Для увеличения теплоперепада и, следовательно, повышения эффективности необходимо повышать начальные параметры или снижать конечные параметры. Значение конечных параметров ограничено температурой охлаждающей среды. Для снижения температуры применяют охлаждение холодным воздухом в зимнее время года. Повышение температуры возможно с помощью дополнительного подогрева [14].
Предложение для расширения технологических возможностей паротурбинных установок заключается в объединении теплового насоса и органического цикла Ренкина. Тепловой насос, используя низкопотенциальное тепло конденсатора, подогревает рабочее тело органического цикла Ренкина или сетевую воду в требуемых объемах, позволяя использовать низкопотенциальное тепло конденсатора и уменьшая тепловое загрязнение.
Суть предлагаемых усовершенствований поясняется на рис. 1. Пароводяной цикл повторяет стандартную теплофикационную паротурбинную установку, за исключением того, что теплофикация осуществляется не с помощью сетевых подогревателей, а с помощью абсорбционного теплового насоса. Часть тепла отбирается из конденсатора, а часть тепла из теплофикационных отборов. Тем самым уменьшается величина отборов пара на конденсацию при сохранении величины теплофикации. Также для устранения тепловых потерь и снижения отборов на конденсатор теплофикационные отборы подогревают органический цикл Ренкина.
Для определения технико-экономических показателей предлагаемого внедрения был выполнен предварительный расчет установки. Для этого приняты следующие характеристики: тепловая мощность теплового насоса – 25 МВт; температура охлаждающей воды – 30 ºС; температура охлажденной воды 25 ºС; давление греющего пара – 0,25 МПа; температура конденсации – 70 ºС; температура слабого раствора на выходе из абсорбера – 60 ºС; высшая температура кипения раствора в генераторе – 115 ºС.
Рис. 1. Схема подогрева рабочего тела органического цикла Ренкина при помощи абсорбционного теплового насоса: ПК – паровой котел, СРП – система регенеративного подогрева, ЦВД и ЦНД – цилиндры высокого и низкого давления, К – конденсатор, РП – регенеративный подогреватель ОЦР, ОП – подогреватель теплового насоса органического цикла Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
В результате расчета абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса на подогрев сетевой воды и рабочего тела (аммиак) органического цикла Ренкина до температуры 105 ºС были получены показатели и расходы рабочего тела абсорбционного теплового насоса. Тепловой коэффициент машины составил 1,77. Соотношение подведенной теплоты к общей тепловой нагрузке на машину составило 56 % что позволяет значительно экономить энергию топлива на теплофикацию.
Как известно, эффективность энергоустановки зависит от режимных параметров. Экономия тепловой энергии на теплофикацию вызывает увеличение отборов в конденсатор, и эффективность выработки электрической энергии снижается. Общие энергетические показатели, такие как коэффициент использования топлива, расход тепла, пара и топлива, при этом снижаются. Дальнейшее увеличение эффективности происходит при увеличении отборов на теплофикацию. Однако соотношение тепловой и электрической энергии задается оператором и, особенно в летние месяцы, не может обеспечить требуемых отборов. Повышение эффективности возможно использованием теплового насоса для подогрева рабочего тела органического цикла Ренкина.
Тепловые насосы в системе теплоснабжения ТЭЦ могут применяться не только в летний режим, но и в переходный (осенний/весенний), когда температура прямой сетевой воды не такая высокая, как в зимний отопительный период. В зимние месяцы и переходные осенние и весенние эффективность достигается увеличенным количеством тепловых насосов и снижение пара на тепловое потребление за счет используемой сбросной теплоты конденсатора в соотношении 56 % к 44 %. В летние месяцы основное повышение эффективности достигается за счет увеличения вакуума конденсатора, в результате чего увеличивается теплоперепад и, следовательно, эффективность турбоагрегата (рис. 2).
На летнем режиме замещение сетевого подогревателя тепловым насосом дает прирост КПД по производству электроэнергии 1,7 %, прирост электрической мощности 0,293 МВт, уменьшение удельного расхода условного топлива на 8,41 г/(кВт*ч) и удельного расхода пара на 0,08 кг/(кВт*ч), циркуляционная вода охлаждается на 0,51 ºС (число мало из-за больших объемов воды – 18600 т/ч), а также улучшается вакуум в конденсаторе на 0,25 кПа.
Рис. 2. Снижение удельного расхода условного топлива а) и прироста выработки электрической мощности б) в зависимости от тепловой нагрузки Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Рис. 3. Схема утилизации тепла в конденсаторе при помощи парокомпрессионного теплового насоса: ПК – паровой котел, СРП – система регенеративного подогрева, ЦВД и ЦНД – цилиндры высокого и низкого давления, К – конденсатор, РП – регенеративный подогреватель ОЦР Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Дальнейшее повышение эффективности в летние месяцы возможно за счет использования тепловых насосов для подогрева рабочего тела органического цикла Ренкина. Перевод выработки электрической энергии с парового цикла на органический исключает работу турбины на влажном паре и повышает ее эффективность.
Производство электроэнергии на утилизации тепловой энергии возможно и для парокомпрессионного теплового насоса. Тепловая схема предлагаемой работы представлена на рис. 3. Рабочий агент парокомпрессионного теплового насоса, получив теплоту от конденсатора, сжимается компрессором и подается в конденсатор теплового насоса с высокими показателями температуры и давления. Отдавая теплоту, низкокипящее рабочее тело проходит органический цикл Ренкина, аналогичный предыдущей схеме. Энергия на компрессор может отбираться напрямую от турбины. Часть энергии, выработанной в турбине НРТ, уходит в компрессор теплового насоса.
Согласно расчетам работа турбины на органическом цикле Ренкина имеет более высокий коэффициент полезного действия, благодаря работе в области сухого пара. Сжатие пара требует меньшего количества энергии по сравнению с непосредственным подогревом. Однако расчет общей тепловой схемы дает обобщенные показатели с меньшими значениями расхода пара и коэффициента использования топлива. Только в определенные режимы с большим потреблением тепловой энергии можно получить незначительное повышение эффективности. Поэтому применение парокомпрессионного теплового насоса для выработки тепла и электрической энергии с помощью органического цикла Ренкина нецелесообразно. Снижение эффективности можно объяснить использованием электрической энергии, с более высокими показателями эксергии, для выработки тепловой энергии, с более низкими показателями эксергии [15].
Заключение
В результате численного исследования тепловых насосов в составе паротурбинных установок было выявлено, что применение абсорбционного теплового насоса повышает эффективность выработки тепловой и электрической энергии, эффективность применения компрессионных тепловых насосов зависит от режимных параметров. Использование теплового насоса для подогрева рабочего тела органического цикла Ренкина повышает общую энергетическую эффективность и маневренность турбоустановок.