CC BY
134
УДК 621.56.59;:536.77:004.4
Л. В. Галимова
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
L. V. Galimova
WAY OF INCREASE OF THERMODYNAMIC EFFICIENCY OF STEAM-GASEOUS INSTALLATION
Надежность энергосбережения является жизненно важной задачей. В настоящее время она может быть решена за счет повышения эффективности существующих станций, в том числе и парогазовых, которое достигается с помощью использования сбросного тепла парового цикла.
В качестве основного элемента энергосберегающей технологии предлагается абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина. Приведена оценка эффективности инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы для Астраханской области.
Ключевые слова: парогазовая установка, энергосбережение, бромистолитиевая холодильная машина.
The reliability of power saving is an important vital problem. Now it can be solved by increase of efficiency of existing stations, including steam-gaseous ones. It is reached by means of use of waste heat of a steam cycle. The absorbing bromate-lithium refrigeration machine is offered as a power saving up technical system. The assessment of the efficiency of the investments into power saving system formation in Astrakhan region is given.
Key words: steam-gaseous installation, the power saving, absorbing bromate-lithium refrigeration machine.
Повышение энергоэффективности хозяйственного комплекса важно и необходимо как для любого отдельного государства, так и для мирового сообщества в целом. Решению этой проблемы, которое тесно связано с устойчивым развитием мирового сообщества, в настоящее время уделяется пристальное внимания во многих международных программах, принятых ООН: «Повестка дня на XXI век», «Повестка дня Хабитат», «Киотский протокол» и ряд других. В этих документах государствами взяты обязательства по повышению энергоэффективности экономики в целом и защите окружающей среды [1].
В России эффективное энергообеспечение является одной из наиболее значимых экономических и социальных проблем. Практика показывает, что эффективность вложения средств в повышение энергоэффективности и в энергосбережение значительно выше, чем в развитие новых энергетических мощностей, поэтому энергосберегающая политика признана главным приоритетом энергетической стратегии, а вопросы энергосбережения и энергоэффективности вошли в ранг основных направлений государственной политики России.
Общепризнанным подходом к повышению эффективности производства энергии являются автономные системы тригенерации - комбинированный способ одновременного получения электрической, тепловой энергии и холода. Эффект от тригенерации усиливается, когда холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной, потребляющей тепловую, а не электрическую энергию [2]. Особого внимания заслуживают автономные системы тригенерации. В качестве энергетических установок в данных системах используются автономные парогазовые установки (III У) малой производительности, обеспечивающие выработку электроэнергии и тепла. К особенностям их работы в числе других относится снижение выработки электроэнергии в теплое время года из-за уменьшения теплового отбора и повышения температуры окружающей среды.
Основным элементом энергосберегающей технологии в данном случае является абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина (АБХМ) для выработки холода с водяным обогревом и одноступенчатой схемой регенерации раствора с использованием для обогрева генератора сбросной теплоты ПГУ. Принципиальная схема подобной установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Система для комплексной выработки электроэнергии, тепла и холода на базе ПГУ и АБХМ нового поколения: I - воздушный компрессор; II - камера сгорания газа; III - газовая турбина;
IV - котёл-утилизатор; V - паровая турбина; VI - конденсатор; VII - теплообменник;
VIII - АБХМ; 1-28 - точки состояния потоков
В холодное время года установка вырабатывает электроэнергию и теплоту для отопления и горячего водоснабжения. В теплое время года, когда отсутствует необходимость в отоплении, теплота используется для выработки холода в АБХМ. Энергетические ПГУ малой мощности имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными электростанциями: меньшие капиталовложения, высокая удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении, меньшие удельные расходы топлива, сжатые сроки сооружения и ввода в эксплуатацию. Кроме того, ПГУ требуют меньших строительных площадок и имеют преимущества перед крупными энергоисточниками по экологическим показателям.
При изучении совместной работы ПГУ и АБХМ в составе энергосберегающей системы нами были проанализированы научные труды по исследованию и расчётам ПГУ учёных Московского энергетического института (технического университета) и результаты исследований и испытаний АБХМ нового поколения, проведённых на кафедре холодильных машин и низкопотенциальной энергетики Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий и ООО «ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ» (г. Новосибирск) [2]. Основные технические характеристики промышленных ПГУ и АБХМ использованы нами в дальнейшем при разработке алгоритмов и программного обеспечения.
Комплексная оценка эффективности технической системы может быть обеспечена термодинамическим и экономическим анализом. Нами предложено последовательное их применение. Вначале, на основе эксергетического метода, определяется и оценивается степень термодинамического совершенства системы, затем оценка эффективности инвестиционных вложений подтверждает экономическую целесообразность.
Разработанная методика эксергетического анализа дает возможность определить термодинамическую эффективность для любого режима работы установки [3].
Результаты расчётов по методике были в дальнейшем использованы нами для установления адекватности модели системы. В результате системного анализа установлено, что энергосберегающая система может быть представлена в виде модели, отражающей ее внешнее и внутреннее содержание и связи, что служит теоретическим обоснованием возможности использования абсорбционных термотрансформаторов при создании систем энергосбережения. Модель разработана с использованием программы Visual Basic [4]. При составлении программного кода потребовалось определение зависимости термодинамических свойств для двуокиси углерода (СО2) и воды (Н2О): i = f (p, t); 5 = f (p, t); v = f (p, t). С помощью математического про-
граммного приложения MathCad были получены уравнения полинома третьей степени для каждой зависимости. С использованием программы СУХРТ32 (корреляция, обработка множеством функций) получены полиномиальные уравнения.
Для удобства использования программы разработан интерфейс, в котором производится ввод всех данных, необходимых для расчета, а также отображение результатов вычислений по каждой из 3-х частей - тепловой расчёт, эксергетический анализ, экономическая оценка инвестиций. Программа имеет государственную регистрацию [4].
С учетом предполагаемого назначения энергосберегающей системы в качестве внешних параметров приняты температура и влажность наружного воздуха. Интервал изменения параметров определён величиной расчётных температуры и влажности наружного воздуха для установок кондиционирования 2-го класса. В качестве внутренних параметров выбраны отношения значений температуры входящих и выходящих потоков Т4/Т3, Тт/Т0, характеризующие работу газовой и паровой турбин в зависимости от давления на входе в паровую турбину Р10, и разности средних значений температуры между газом и пароводяным потоком в ПГУ АГср.
В соответствии с разработанной программой энергетические и термодинамические характеристики системы могут быть определены при любом сочетании влияющих факторов, что позволяет производить комплексный анализ по всем показателям.
В исследуемой системе обеспечивается круглогодичный постоянный отбор тепла от конденсатора ПГУ, что определяет постоянство её основных энергетических показателей - суммарной удельной выработки электроэнергии газовой и паровой турбинами на единицу отведённого тепла и электрической мощности.
Связи и взаимодействие в работе между АБХМ и ПГУ определяли с помощью относительных характеристик.
Полученные зависимости являются примером обработки результатов исследования при соблюдении условия Р10 = 3 МПа, ЛТср = 90 К.
Относительная характеристика энергосберегающей системы приведена в виде изменения величины б0/УПГУ в зависимости от параметров окружающей среды (рис. 2).
QolNпгy
и, °С
Рис. 2. Относительная характеристика энергосберегающей системы
Степень термодинамического совершенства системы преобразования эксергии топлива в эксергетическую холодопроизводительность АБХМ определяли по отношению еф/ечт. Характер зависимости определяется изменением эксергетических потерь в элементах ПГУ и АБХМ. Суммарные потери эксергии в ПГУ в заданном интервале изменения внешних параметров остаются практически постоянными.
Эксергетические потери в АБХМ в соответствии с моделью системы определяются в долях потока эксергии, подведённой к генератору, с учётом эксергетических температурных функций те, характеризующих процесс теплообмена в аппаратах. Чтобы установить характер изменения потерь, был проведён анализ эксергетического температурного напора в аппаратах в зависимости от параметров наружного воздуха и расчётных параметров сред, участвующих в процессе теплообмена.
Для процессов, протекающих в аппаратах АБХМ,
ЛТе = Те1 - Те2 = Ті | (1/Тпі) - (1/Тп2) | ,
где Т1 - температура окружающей среды; Тп1, Тп2 - температура соответствующего потока. Изменение эксергетического температурного напора показано на рис. 3.
Ат
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
Ть К
Рис. 3. Изменение эксергетического температурного напора по аппаратам АБХМ:
1 - генератор; 2 - абсорбер; 3 - испаритель; 4 - конденсатор
Характер изменения эксергетического температурного напора предполагает, в основном, снижение эксергетических потерь с повышением температуры окружающей среды. На рис. 4 приведена зависимость, связывающая суммарные эксергетические потери в АБХМ и ПГУ.
Х^АБХм/Х^ПГУ
0,5
0,4
0,3
Т1, К
296 298 300 302 304 306 308
Рис. 4. Соотношение между эксергетическими потерями в АБХМ и ПГТУ
На основании зависимости на рис. 4 можно считать, что уменьшение суммарных эксергетических потерь в АБХМ ведёт к снижению темпа роста потерь в системе в целом.
В связи со снижением суммарных эксергетических потерь в АБХМ поток эксергии ед0, подведённый к испарителю, возрастает, чем объясняется вид зависимости на рис. 5.
296
298
300
302 304
306
308
Рис. 5. Степень эксергетического совершенства процесса преобразования эксергии топлива в эксергетическую холодопроизводительность
Коэффициент эффективности применения АБХМ в автономной системе тригенерации определён как отношение эксергетических КПД холодильной машины и ПГУ:
(Лабхм/^пгу)'!00 %.
'Лабхм/'Лпгу
Рис. 6. Коэффициент эффективности применения АБХМ в автономной системе тригенерации
На основании анализа приведённых зависимостей можно сделать следующие выводы: при совместной работе АБХМ и ПГУ улучшаются энергетические характеристики энергосберегающей системы; степень термодинамического совершенства системы преобразования эксергии топлива (сбросного тепла) ПГУ в эксергетическую холодопроизводительность АБХМ в заданном интервале изменения внешних факторов 0 < пАБХМ < 1, что характеризует реальные процессы; коэффициент эффективности применения АБХМ в составе автономной системы тригенера-ции находится в пределах 25 %, что является вполне приемлемым показателем для энергосберегающих систем.
Внутренние параметры в виде отношения значений температуры входящих и выходящих потоков Т4/Т3 = 0,618-0,718 и Тт/Т0 = 0,669-0,725 характеризуют работу газовой и паровой турбин в интервале изменения давления на входе в паровую турбину Р10 = 3-7 МПа и разности средних значений температуры между газом и пароводяным потоком в ПГУ ДГср = 75-135 К.
Согласно расчётам, увеличение коэффициента эффективности при изменении внутренних параметров является незначительным и находится в пределах точности расчётов по программе.
Оценка эффективности инвестиционных вложений в создание энергосберегающей системы для Астраханской области отражается следующими показателями: чистый дисконтированный доход проекта - 346 112 тыс. руб., внутренняя норма доходности - 47 %, индекс доходности дисконтированных инвестиций - 2,97 и дисконтированный срок окупаемости - 5 лет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лаврухин К. М., Титов Д. П., Дубинин В. С. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергосбережения в современных условиях России // Электрика. - 2006. - № 2. - С. 25-28.
2. Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины: проспект ООО «ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ». -Новосибирск, 2002. - 10 с.
3. Галимова Л. В., Славин Р. Б. Программа для расчета энергосберегающей системы // Свидетельство о гос. рег. программы для ЭВМ № 2008612537 от 22 мая 2008 г.
4. Галимова Л. В., Гуиди Тоньон Клотильде. Влияние внутренних рабочих параметров на эксергетиче-ские характеристики аммиачных холодильных установок различного значения // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 96-101.
Статья поступила в редакцию 14.11.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Галимова Лариса Васильевна - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Холодильные машины»; [email protected].
Galimova Larisa Vasilievna - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Professor of the Department "Refrigerating Machines"; [email protected].
