science-review.ru
Введение
Одним из определяющих факторов эффективного внедрения утилизации на тепло-технологических объектах является нахождение рациональных конструктивных характеристик и компоновочных решений установок, обеспечивающих высокую эффективность, надежность эксплуатации и полноту утилизации. Повышение эффективности получения энергии от низкопотенциальных источников теплоты является актуальной задачей, решение которой позволит не только выполнить требования федерального закона, но также производить энергию без первичных энергоресурсов.
Важным показателем повышения эффективности является термический коэффициент полезного действия энергоустановки, зависящий от начальных и конечных параметров пара. Наиболее популярным методом повышения эффективности энергоустановки является повышение начальных параметров пара. При этом значительно возрастает влияние температуры на надежность энергоустановки [1, 2]. Для повышения эффективности можно воспользоваться снижением конечной температуры в конденсаторе за счет более полной утилизации низкопотенциального тепла.
При совместной выработке тепловой и электрической энергии наибольшие потери происходят в конденсаторе, где теряется до 50 % тепловой энергии. Использование теплоты конденсатора не представляется возможным вследствие низких температур теплоносителя.
В последние годы набирает популярность использования энергосберегающих технологий на предприятиях энергетики, нефте-, газодобычи и др. Получили популярность системы на основе органического цикла Ренкина, цикла Калины, тепловые насосы различных конструкций. Тепловые насосы по циклам и схемам работы подразделяются на компрессионные (парокомпрессионные и газокомпрессорные) и сорбционные (абсорбционные и адсорбционные). Мало распространены системы утилизации низкопотенциальной теплоты, основанные на эффекте Ранка, двойного цикла Ренкина, цикла Стирлинга, цикла Брайтона, цикла Калины, а также термоэлектрические и обращенный топливный элемент. Проведя обзор способов утилизации низкопотенциальной теплоты, можно констатировать, что наиболее перспективными методами являются встраивания, утилизация тепла конденсатора с помощью тепловых насосов [3].
Для определения технико-экономических параметров совместной работы были определены параметры тепловых насосов. По результатам энергетических расчетов были смоделированы процессы теплообмена. Методика моделирования наиболее полно описана в работе [4]. В условиях существующих и вновь проектируемых турбоустановок существует проблема охлаждения конденсаторов в условиях недостатка охлаждающей воды [5]. Для решения этой проблемы возможна установка комплексов утилизирующих низкопотенциальное тепло конденсатора для улучшения показателей турбоустановки.
Цель исследования заключается в определении наиболее рационального метода повышения эффективности выработки теплоты и электроэнергии ТЭЦ посредством применения систем утилизации в структуре ТЭЦ для обеспечения тепловой нагрузки потребителя.
Материалы и методы исследования
Технико-экономические показатели теплового насоса зависят от параметров теплофикации. Для парокомпрессионного теплового насоса с температурой нагрева системы теплофикации 65ºС результаты расчета сведены в таблицу. Для абсорбционного теплового насоса. Абсорбционный тепловой насос наиболее целесообразно проектировать на основе солей бромистого лития [6]. Результатами расчета абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса стали для установки с тепловой мощностью 25 МВт, количество подводимой энергии в генератор из теплофикационного отбора 3049, 482 кВт, утилизируемая низкопотенциальная теплота в конденсаторе 2371,54 кВт, кратность циркуляции раствора 6,48.
Характеристики схем включения ТНУ
|
Характеристика |
Режим загрузки |
||
|
Номинальный |
частичная 1 |
частичная 2 |
|
|
Теплопроизводительность, МВт |
14,258 |
10,184 |
8,147 |
|
Холодопроизводительность, МВт |
11,3 |
8,5 |
6,9 |
|
Расход хладагента, кг/с |
11,57 |
8,26 |
6,59 |
|
Максимальная температура сжатия/температура конденсации,ºС |
154/70 |
130/60 |
1119/55 |
|
Давление сжатия перед конденсатором, МПа |
3,3 |
2,6 |
2,3 |
|
Удельная работа компрессора, кДж/кг |
253 |
204 |
183 |
|
Коэффициент трансформации |
3,7 |
4,6 |
5,1 |
|
Энергетическая мощность компрессора, МВт |
3,853 |
2,217 |
1,587 |
|
КПД ТНУ |
0,525 |
0,532 |
0,524 |
Рис. 1. Тепловая схема турбоустановки Т-50/55-130
Рис. 2. Модель технологического цикла ТНУ в схеме турбины Т-50/55-130 в ПК Aspen Hysys
Создание модели, действующей на КТЭЦ-2 турбоустановки Т50/55-130, проводили с помощью программы Aspen Hysys. На начальном этапе исследования были заданы компоненты установки и произведена настройка пакета свойств, построена топология всех потоков турбоустановки со всеми входящими в ее состав элементами. Тепловая схема турбоустановки Т50/55-130 показана на рис. 1. Проведена настройка параметров турбоустановки и расчет этих параметров.
На следующем этапе нам необходимо:
− описать фазовое равновесие и свойства системы компонентов;
− определиться с логикой внешних и внутренних потоков турбоустановки;
− определиться со спецификациями турбоустановки.
Задаем параметры рабочего тела, в нашем случае это пар с температурой 555ºС, давление 13,0 МПа. Так же задаются параметры по отборам турбоустановки. Задавая расход перегретого пара, получаем номинальную мощность турбоагрегата 55 МВт.
При номинальном режиме работы турбоустановки с включенной теплофикацией получаем параметры отборов пара. В параметрах отбора задаем давление и расход пара, требуемый для подогрева питательной воды и основного конденсата до требуемых температур. Остальные параметры считаются по балансовым уравнениям энергетических потоков [7, 8].
Создание модели турбоустановки с парокомпрессионным тепловым насосом ПКТН в программе Aspen Hysys не имеет отличия от создания модели турбоустановки без теплового насоса.
В систему охлаждения конденсатора добавляем контур с теплообменником парокомпрессионного теплового насоса, способного, забирая тепло циркуляционной воды на выходе из конденсатора турбины, повысить ее температуру и передать ее сетевой воде на входе в ПСГ-1 [9]. Модель технологического цикла турбоустановки с ПКТН, рассчитанная в программе Aspen Hysys, представлена на рис. 2.
Результаты исследования и их обсуждение
Тепловые насосы при разных режимах работы дают разные показатели эффективности: так, АБТН дает большее значение КПД при большей тепловой нагрузке, а ПКТН показывает лучшие показатели при меньшей тепловой нагрузке.
При использовании парокомпрессионного теплового насоса расходуется электрическая энергия на привод компрессора, и, следовательно, удельный расход на выработку электроэнергии значительно увеличивается. В абсорбционном зависимости не столь значительны. В качестве показателей эффективности выбран коэффициент полезного действия по производству электроэнергии, расход пара на производство электрической и тепловой энергии (рис. 3) и коэффициент использования топлива (рис. 4).
КПД по производству электроэнергии представляет собой соотношение произведенной электрической энергии к затратам энергии на ее производство. КПД по выработке электрической энергии у абсорбционного теплового насоса (АБТН) растет, вследствие увеличения выработки электрической энергии на тепловом потреблении. У парокомпрессионного же, наоборот, падает из-за потребления электрической энергии на привод компрессора теплового насоса и низменном тепловом потреблении. Значительные расходы электричества на привод компрессора теплового насоса делают применение малоэффективно.
На рис. 3 видим, что при увеличении тепловой нагрузки ПКТН увеличивается удельный расхода пара на выработку одного кВт час электроэнергии, а у АБТН удельный расход пара на выработку одного кВт час электроэнергии не меняется от нагрузки теплофикационной установки турбоагрегата.
Удельный расход пара на производство электроэнергии у АБТН остается практически неизменным. Расход пара, идущий на тепловой насос, учитывается как тепловое потребление и мало влияет на показатели энергоэффективности производства электрической энергии. У ПКТН выработка электрической энергии уменьшается из-за затрат на собственные нужды и показатели производства электрической энергии ухудшаются (рис. 3).
Коэффициент использования топлива растет у абсорбционного насоса быстрее, так как у него коэффициент преобразования теплоты больше, чем у парокомпрессионного. Коэффициент использования топлива у ПКТН выше при нагрузке 50 МВт по сравнению с АБТН при такой же тепловой нагрузке насоса.
Тепловые насосы позволяют передать низкопотенциальную теплоту циркуляционной воды на теплоснабжение и снизить расход топлива на выработку электроэнергии. Использование ТНУ для утилизации теплоты оборотного водоснабжения приводит к снижению расхода пара теплофикационного отбора, что дает значимую экономию топлива.
Рис. 3. Сравнение зависимостей удельного расхода пара на выработку 1 кВт час от тепловой нагрузки тепловых насосов: 1 – тепловая нагрузка АБТН 100 МВт; 2 – тепловая нагрузка АБТН 80 МВт; 3 – тепловая нагрузка АБТН 50 МВт; 4 – тепловая нагрузка ПКТН 100 МВт; 5 – тепловая нагрузка ПКТН 80 МВт; 6 – тепловая нагрузка ПКТН 50 МВт
Рис. 4. Сравнение зависимостей коэффициента использования топлива от нагрузки тепловых насосов: 1 – тепловая нагрузка 100 МВт с АБТН; 2 – тепловая нагрузка АБТН 80 МВт; 3 – тепловая нагрузка АБТН 50 МВт; 4 – тепловая нагрузка 100 МВт с ПКТН; 5 – тепловая нагрузка 80 МВт и электрическая нагрузка 40 МВт ПКТН; 6 – тепловая нагрузка ПКТН 50 МВт
Заключение
По результатам работы можно сделать вывод о целесообразности применения тепловых насосов на ТЭЦ. Наибольшее количество теплоты на электростанции утилизируется в конденсаторе. Утилизация теплоты конденсатора позволяет снизить тепловую нагрузку турбоустановки, повысить коэффициент использования топлива и увеличить КПД. Применение тепловых насосов дает повышение показателей эффективности при увеличении теплового потребления. При замене выработки теплового потребления с теплофикационных отборов на тепловой насос в энергоустановке происходит снижение выработки энергии на тепловом потреблении, и показатели эффективности падают.
Больший прирост показателей эффективности дает абсорбционный тепловой насос, поскольку он для производства тепловой энергии использует тепло отборов турбины. При использовании парокомпрессионных тепловых насосов не требуется использования пара отборов турбоустановки, но при этом для работы компрессора затрачиваются значительные объемы электроэнергии. Электрическая энергия – конечный продукт электрической станции, вследствие чего более дорогой, и использование ее для производства тепловой энергии нецелесообразно.
Тепловой насос позволяет более эффективно охлаждать конденсатор, что приведет к равномерному и постоянному температурному режиму. Замкнутая система охлаждения конденсатора турбоустановки с тепловым насосом исключает возможность загрязнения конденсатора органическими веществами, примесями и отложениями. Так же снижается количество выбросов вредных примесей в окружающую среду, как при оборотном водоснабжении.
Библиографическая ссылка
Хвостиков А.С. СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ КОНДЕНСАТОРА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ В ТЕПЛОФИКАЦИОННОМ ЦИКЛЕ С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ // Научное обозрение. Технические науки. – 2024. – № 4. – С. 14-20;URL: https://science-engineering.ru/ru/article/view?id=1478 (дата обращения: 21.11.2024).