Определение энергоэффективности установок воздушного охлаждения на базе аппаратов с различным числом вентиляторов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.51+621.565.945 А. В. КРУПНИКОВ

А. Д. ВАНЯШОВ И. А. ЯНВАРЕВ

ОАО «Сибнефтетранспроект», г. Омск

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА БАЗЕ АППАРАТОВ С РАЗЛИЧНЫМ ЧИСЛОМ ВЕНТИЛЯТОРОВ__________________________________________________

Повышение эффективности установок воздушного охлаждения (УВО) достигается совершенствованием конструкций аппаратов воздушного охлаждения (АВО) с целью повышения их теплового и аэродинамического КПД в том числе за счет многовентиляторных блоков. Рассмотрено сравнение дискретного и частотного способов регулирования расхода охлаждающей среды для УВОГ, состоящей из двухвентиляторных АВО типа 2 АВГ-75 С в количестве 12 шт., а также УВОГ из многовентиляторных АВО типа АВГ-85МГ в количестве 14 шт.

Ключевые слова: установка воздушного охлаждения, аппарат воздушного охлаждения, способ регулирования, частотно-регулируемый привод.

Эффективность энергосбережения для установок воздушного охлаждения (УВО) технологических потоков представляет собой функцию многих параметров. В основном целью ее является обеспечение оптимальных режимов работы теплообменного оборудования в течение сезонной эксплуатации [1], что во многом определяется средствами регулирования режимов охлаждения, и в частности оснащением теплообменных аппаратов различным числом вентиляторов.

Энергосбережение данных установок обеспечивается в настоящее время в основном при помощи дискретного (порядное отключение части вентиляторов) и частотного регулирования энергопотребления приводов аппаратов воздушного охлаждения (АВО) [1-5].

В свою очередь в последнее время наряду с известными конструкциями двухвентиляторных АВО, например 2АВГ-75С, используемых для установок воздушного охлаждения газов (УВОГ) компрессорных станций магистральных газопроводов [3] разработаны и находят все более широкое применение новые конструкции АВО, типа АВГБ-83, АВГ-БМ-83, АВГ-85МГ, в которых увеличено количество вентиляторов (6 шт.) и понижена мощность приводного двигателя (13,0 и 6,5 кВт) [4-5].

Ощутимым преимуществом многовентиляторных АВО является более равномерный обдув теплообменной поверхности и более высокая точность в достижении требуемого температурного уровня охлаждаемого газа за счет повышения дискретизации регулированием пуск/останов электродвигателей. Среди последних выделяются АВО типа АВГ-85МГ (6 вентиляторов мощностью по 6,0-6,5 кВт), которые при небольших потерях тепловой эффективности обеспечивают существенную экономию электроэнергии на привод вентиляторов за счет разреженной

организации трубного пучка и, соответственно, снижение его аэродинамического сопротивления по охлаждающему воздушному потоку [4].

Однако реализация энергосбережения за счет частотного регулирования приводов (ЧРП) многовентиляторных АВО сопряжена с дополнительными капитальными затратами, связанными с необходимостью обеспечения группового или индивидуального оборудования (преобразователи частоты (ПЧ), система автоматического управления) для большего числа вентиляторов [6-7].

Таким образом, обоснованный выбор наиболее предпочтительных мероприятий, направленных на энергосбережение для установок воздушного охлаждения (и в частности УВОГ), а также уровень их эффективности представляет собой в общем случае задачу оптимизации в зависимости от числа вентиляторов АВО гв.

При энергетическом решении данной задачи в качестве критерия эффективности может быть принято потребление электроэнергии УВО при охлаждении газа NyEQ, причем для адекватного сравнения рассматриваемых вариантов необходимо зафиксировать расход охлаждающего воздуха 0В.

При экономическом решении данной задачи в качестве критерия эффективности можно использовать срок окупаемости t или стоимость жизненно-

г J окуп

го цикла УВО, оснащенной требуемым для этих целей оборудованием [1].

СЖВЦ = к+Х

(С.

+ С + С

рем э

(1 + Е У

(1)

где К—капитальные затраты, определяющие состав и стоимость оборудования УВО, в том числе для реализации дискретного или частотного регулирования;

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

*

Рис. 1. Потребление электроэнергии для УВОГ на базе 2АВГ-

75С и АВГ-85МГ при дискретном (------) и частотном (...)

регулировании производительности

а)

1000

Q

б)

Рис. 3. Приращение стоимости жизненного цикла для УВОГ на базе 2АВГ-75С ^в=2) и АВГ-85МГ ^в=6) при дискретном (Д.Р.) и частотном (Ч.Р.) регулировании производительности вентиляторов

жет быть сформулирована в следующем обобщенном виде:

У _ 0РУ( Q,,С'>САУ АБО)

Q,. _ ЄЧРП _ ЄДР

или

f°pt _ f4pn _ ,Др

(2)

СУБО I

, СЖЦ .1

Рис. 2. Расход электроэнергии для УВОГ на базе 2АВГ-75С

и АВГ-85МГ при дискретном (_______ ) и частотном (. )

регулировании производительности

С + С + С = Э — годовые эксплуатационные

охл рем эксп год ^ J ^

расходы УB0, включающие затраты на привод вентиляторов Сохл, затраты на выполнение плановых ремонтных работ Срем и затраты на финансирование технических экспертиз выработавших ресурс ABO и регулирующего оборудования Сэксп; £—норма доходности; Гр— расчетный период.

Причем годовые эксплуатационные затраты на привод вентиляторов должны определяться последовательно для каждого месяца при средней температуре наружного воздуха и обоснованном значении tохл. B свою очередь, температура технологического потока на выходе YBO может быть получена на этапе энергетической оптимизации технологического участка (ТУ).

Тогда задача оптимизации обоснованного выбора способа энергосбережения (дискретного или частотного способа регулирования температуры технологического потока на выходе из установки t ) мо-

где y ( N УВО ,QЭл / эн 5 " окуп

При энергетическом решении обобщенной задачи оптимизации (2) для установки воздушного охлаждения газа на компрессорной станции магистрального газопровода рассматривались варианты компоновки УВОГ на базе двухвентиляторных АВО типа 2АВГ-75С в количестве 12 шт. и многовентиляторных АВО типа АВГ-85МГ в количестве 14 шт.

В качестве локальных критериев эффективности могут быть приняты: потребление электроэнергии УВОГ при охлаждении газа МУВОГ, а также расход электроэнергии Оэл/эн.

| У = opty ( Qe, t0opm,САу АВО)

Z В

{Qe — Q4pn — Qf __ или __ с — tZn — tZ (3)

где y — { NУВОГ, Qrn / эн }.

Сравнение вариантов производилось при фиксированных расходе Ов (рис. 1) или температуре охлаждения газа tp (рис. 2). При использовании ЧРП для каждого заданного уровня Ов температуры газа после УВОГ ниже, а тепловой КПД выше, чем при дискретном регулировании. Из графиков функций МУВОГ (рис. 1) и Оэл/эн (рис. 2) следует, что использование ЧРП обеспечивает существенное снижение энергопотребления по сравнению с дискретным регулированием. При этом для АВГ-85МГ (7в = 6) наблюдается некоторое снижение эффекта от применения ЧРП по сравнению с 2АВГ-75С (7в = 2).

На рис. 2а отражена динамика изменения среднемесячных расходов электроэнергии, затрачиваемой на охлаждение газа до заданной фиксированной температуры t™ — tOXp — С . На рис. 2б показаны годовые расходы электроэнергии на привод вентиляторов.

При экономическом решении обобщенной задачи оптимизации (2) сравнение вариантов систем регу-

Б

Рис. 4. Срок окупаемости для УВОГ на базе 2АВГ-75С (7в=2) и АВГ-85МГ (7в=6) при частотном (Ч.Р.) регулировании производительности вентиляторов

лирования УВОГ производилось при фиксированной оптимальной температуре охлаждения газа tp , значение которой может быть рекомендовано или получено на этапе энергетической оптимизации энергозатрат ТУ для заданного режима работы КС и среднемесячной температуры грунта и обеспечивается при дискретном регулировании — количеством включенных вентиляторов АВО, при частотном регулировании путем изменения их производительности.

В качестве локальных критериев эффективности УВОГ приняты срок окупаемости токуп , и стоимость жизненного цикла УВОГ СЖЦОГ.

\У = opty ( С, САУ АВО)

| Z* , (4)

\fpt _ чрп _ t др ' ' ’

I rtvn nvn nvn

,ТТ _ / „ П УВОГ \

где У _ \ Zокуп , СЖЦ ).

Результаты расчетов УВОГ, выполненных на базе шестивентиляторных АВГ-85МГ (12 шт.) и двухвентиляторных 2АВГ-75С (14 шт.) при дискретном и частотном способах регулирования, приведены для

АСУщГ = CжцГ(Zb_2) - сщГ(Zb_6) на рис. 3, а для токуп на рис. 4.

В результате применения ЧРП по сравнению с дискретным регулированием максимальная экономия электроэнергии за месяц для АВО типа 2АВГ-75С (Zb = 2) составляет около 250 тыс. кВт.час, а годовая экономия — около 1900 тыс. кВт.час, что составляет соответственно порядка 60% и 30 % в сравнении с дискретным регулированием.

УВОГ, выполненная на базе АВО типа АВГ-85МГ (Zb = 6), обладает большей удельной тепловой эффективностью и гибкостью при решении задач сезонного регулирования. Поэтому суммарный годовой расход электроэнергии для УВОГ на базе шестивентиляторных АВО С ЧРП ощутимо (на 1000 тыс. кВт.ч) меньше, чем для аналогичных УВОГ на базе АВО с числом вентиляторов Zb = 2.

В то же время максимальная месячная экономия электроэнергии для АВО типа АВГ-85МГ (Zb = 6), оснащенных САУ с ЧРП по сравнению с дискретным регулированием составляет не более 140 тыс. кВт.час, а годовая — 700 тыс. кВт.час, или 50% и 22 % соответственно.

В результате при использовании ЧРП вместо дискретного регулирования для аппаратов с большим числом вентиляторов (Zb = 6) расход электроэнергии и суммарный годовой эффект от внедрения уменьшаются. Это находит выражение и в приращении

стоимости жизненного цикла АСЖЦОГ (рис. 3) и в сроках окупаемости токуп (рис. 4) оценочный срок которых от внедрения системы ЧРП составит применительно к 2АВГ-75С (Zb = 2) в пределах 2,5 — 3,0 лет, а для АВГ-85МГ (Zb = 6) — в пределах 6 — 7 лет.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Экономия электроэнергии в случае применения ЧРП, имеет место и для УВОГ на базе 2АВГ-75С (Zb = 2) и для УВОГ на базе АВГ-85МГ (Zb = 6), которая может составлять около 1900 тыс. кВт.час и 700 тыс. кВт.час в год, что при существующих тарифах на электроэнергию и стоимости САУ ЧРП определяет срок окупаемости ЧРП в пределах 2,5 — 3,0 (Zb = 2) лет и 6 — 7 лет (Zb = 6) соответственно.

2. Применение дискретного регулирования для многовентиляторных АВО типа АВГ-85МГ (Zb = 6) примерно совпадает по энергетической эффективности с применением ЧРП для двухвентиляторных АВО типа 2АВГ-75С (Zb = 2).

3. С точки зрения комплексной энергоэкономической оценки для УВО на базе аппаратов с малым числом вентиляторов предпочтительно частотное регулирование привода, а для УВО на базе аппаратов с большим числом вентиляторов — дискретное регулирование.

Библиографический список

1. Крупников, А.В. Анализ эффективности регулирования режимов работы аппаратов воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях/А.В. Крупников, А.Д. Ваняшов, И.А. Январев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2010. — № 1. — С. 20-23.

2. Шпотаковский, М.М. Оптимизация режимов работы установок воздушного охлаждения газа на КС/М.М. Шпотаковский// Газовая промышленность. — 2005. — № 11. — С. 51-53.

3. Аршакян, И.И. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа / И.И. Аршакян, А.А. Тримбач // Газовая промышленность. — 2006. — № 12. — С. 52 — 55.

4. Аппараты воздушного охлаждения нового поколения. Оптимальное сочетание параметров теплообменного блока и вентиляторной установки. Снижение энергопотребления аппарата и удобство его эксплуатации/П.А. Аксенов [и др.] // Нефтегаз. — 2003. — № 2. — С. 109 — 111.

5. Алимов, С.В. Аппараты воздушного охлаждения газа: опыт эксплуатации и пути совершенствования/С.В. Алимов, В.А. Лифанов, О.Л. Миатов //Газовая промышленность. — 2006. — № 6.— С. 54 — 57.

6. Загоринский, Э.Е. Эффективность применения частотнорегулируемых приводов в АВО газа на КС / Э.Е. Загоринский, А.И. Гулиенко // Газотурбинные технологии. — 2007. — № 9. — С. 32 — 35.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

7. Модернизация вентиляторов АВО газа при реконструкции КС МГ / С.В. Алимов [и др.] // Газовая промышленность, — 2009. - № 4. - С. 54-56.

КРУПНИКОВ Антон Владимирович, главный специалист ОАО «Сибнефтетранспроект».

ВАНЯШОВ Александр Дмитриевич, кандидат техни-

ческих наук, доцент кафедры «Компрессорные и холодильные машины и установки» 0мГТУ.

ЯНВАРЕВ Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики 0мГТУ. Лдрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 31.05.2010 г.

© А. В. Крупников, А. Д. Ваняшов, И. А. Январев

УДК 620.9.001.12/18 а. ф. РЫЖКОВ

A. В. ПОПОВ Т. Ф. БОГАТОВА

B. Е. СИЛИН П. В. ОСИПОВ

Уральский государственный технический университет-УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ КОНВЕРСИИ НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ____________________________________

В связи с необходимостью выбора и промышленного освоения новых для российской энергетики эффективных угольных и биотопливных парогазовых технологий проведены расчетно-экспериментальные исследования по повышению тепловой эффективности автотермической конверсии низкосортных топливноэнергетических ресурсов (торф, древесина, бурый уголь и др.) в кондиционный топливный газ и произведена оценка энергетической эффективности их использования в парогазовых установках.

Ключевые слова: автотермический, аллотермический режим, газификация, низкосортные топлива, парогазовый цикл, химический КПД.

Введение. Уверенное внедрение газификацион-ных технологий в российской энергетике может еще долго сдерживаться вследствие низкой эффективности термохимической конверсии (ТХК) топлив в конечные продукты. В случае газификации коэффициент преобразования теплоты сгорания топлива в теплоту сгорания горючих газов — Лх — лежит на уровне 50 — 65 % для установок с кипящим слоем, 70 — 83 % — для поточных и слоевых, что связано с нерешенностью ряда теплофизических, технологических и экономических проблем.

Вопросы повышения эффективности технологий ТХК были всегда в центре внимания отечественных разработчиков [1]. Однако, в связи с отсутствием практической востребованности этих исследований, они носили скорее абстрактный, чем практический характер и в аналитическом плане ограничивались обычно рассмотрением процессов с чистым углеродом [2]. В настоящее же время в связи с переходом энергетики на мало- и неуглеродные технологии появляется необходимость учета по возможности всего технического состава натурального топлива.

Тепловой баланс газификации. Для анализа процессов газификации натуральных топлив рассмотрим влияние органической горючей массы топлива на тепловой баланс термохимической конверсии (ТХК), выбрав в качестве переменных относительные молярные доли кислорода Ог/Сг и водорода Нг/Сг.

В отличие от режимов прямого сжигания, где доминирующим является экзотермический эффект от окисления значительной части горючей массы углерода и водорода (за исключением части летучих, вошедших в углекислоту и пирогенетическую воду),

ІПС

lyw.-ГК ■

і:- и.: D.4 ij.s м і

Рис. 1. Тепловой баланс газификации натуральных топлив; точки - расчет для натуральных топлив; Тт - теоретическая температура горения в воздухе и кислороде, О, - тепловые эффекты реакций