Моделирование и технико-экономическая оптимизация газотурбинных установок для опреснения морской воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Наими Аббас

• Наими Аббас
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Наими Аббас

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВОДНЫХ

РЕСУРСОВ НА БЛИЖНЕМ ВОСТОКЕ

1.1. Современное состояние водных ресурсов в Иране

1.2. Технологии опреснения

1.2.1. Процесс теплового опреснения

1.2.2. Процесс мембранного опреснения

1.3. Описание деятельности осуществляется в области опреснения воды 17 ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ В ИРАНЕ

2.1. Современное состояние энергетики в Иране

2.2. Общее потребление первичной энергии

2.3. Традиционные источники энергии: обзор

2.3.1. Нефть

2.3.2. Природный газ

2.3.3. Каменный уголь

2.4. Обзор возобновляемых источников энергии

2.4.1. Энергия солнца

2.4.2. Энергия ветра

2.4.3. Энергия воды

2.4.4. Геотермальная энергия

2.4.5. Биогаз

2.5. Ядерная энергия

2.6. Энергия термоядерного синтеза

2.7. Электроэнергетический сектор

2.8. Важность использования вторичных энергоресурсов

2.9. Заключение и рекомендации

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ КОГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПРЕСНОЙ ВОДЫ

3.1. Термодинамическое моделирование установки

3.1.1. Расчет минимальной работы, необходимой для опреснения морской воды

3.1.2. Корреляции коэффициента теплопередачи, используемые в моделях METVC и MED

3.1.3. Математическая модель котла-утилизатора

3.1.4. Математическая модель конденсатора

3.2. Технические характеристики газовой турбины Solar Centaur

3.3. Описание систем децентрализованной когенерации электроэнергии и питьевой воды

3.3.1. Технологии опреснения которые используются в децентрализованной когенерации

3.3.2. Гибридная система опреснения

3.4. Моделирование установки децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на базе газовой турбины

3.5. Моделирование установки децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на базе газового двигателя

3.6. Экономический анализ централизованной системы когенерации электроэнергии и пресной воды

3.6.1. Расходы на производства электроэнергии

3.6.2. Расходы на производство воды

3.7. Выводы 89 ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И ЕЁ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ТЕПЛОВОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

4.1. Система опреснения многоколонной дистилляции с пароэжектором (METVC)

4.2. Критерии эффективности

4.3. Моделирование ГТУ с впрыском пара

4.3.1. Влияние коэффициента сжатия (CR)

4.3.2. Влияние давления рабочего пара (pm)

4.3.3. Влияние нагрева морской воды

4.3.4. Выбор параметров и производительность опреснения METVC

4.4. Расчет условий и критериев производительности для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения

4.4.1. Критерии производительности

4.5. Конфигурация ГТУ с впрыском пара для когенерации электроэнергии

и пресной воды

4.5.1. Влияние коэффициента расхода пара xj

4.5.2. Влияние коэффициента давления в и температуры газа на входе в турбину (TIT) цикла

4.5.3. Восстановление энергии из отработанного газа

4.6. Выводы 121 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 125 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и технико-экономическая оптимизация газотурбинных установок для опреснения морской воды»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования определяется тем фактом, что в настоящее время обеспечение водой таких сфер, как сельское хозяйство, тяжелая и пищевая промышленность, является одной из главных и серьёзных проблем в Иране.

Отсутствие пресной воды не временная проблема в стране или районе, но долгосрочная и существенная проблема для выживания человека и развития обществ на нашей планете. В районе Ближнего Востока, большинство стран не

____»-» /-ч »-»

имеют доступа к достаточному количеству пресной воды. С другой стороны они окружены неограниченным количеством морской воды. Таким образом, опреснение морской воды является хорошим решением для производства пресной воды.

Иран имеет значительное количество газотурбинных установок, которые были расположены недалеко от побережья региона. Из-за нехватки свежей воды в Иране, эти электростанции могут использоваться для обеспечения пресной воды.

В последние годы многие газовые турбины, работающие в открытом цикле в Иране были преобразованы в режим комбинированного цикла работы с целью повышения тепловой эффективности. Но на многих электростанциях, температура основного выхлопного стека газа по-прежнему высока, и поэтому можно использовать дополнительное тепло при снижении температуры выхлопных газов до допустимого значения в качестве входного источника энергии для тепловой установки по опреснению воды.

Объект исследования. Процесс опреснения морской воды на основе газотурбинной установки с использованием критериев эффективности энергии и эксергии ГТ.

Предмет исследования. Газотурбинная установка и его взаимодействие с опреснительной системой.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научно-технических основ создания систем децентрализованной когенерации

электроэнергии и получения пресной воды, которые используют газовую турбину в качестве первичного источника.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• Обзор и изучения состояния и перспективы развитие энергетики в Иране;

• Изучение различных методов опреснения воды, их сравнение и выявление преимуществ и недостаток;

• Изучение различных видов газотурбинных двигателей и области их использования в Иране;

• Выбор собственной ГТ для целей когенерации электроэнергии и пресной воды на основе анализа существующих ГТУ и с учетом экологических и расположенных требований;

• Моделирование установки децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на базе газовой турбины;

• Технико-экономические исследования ГТ Solar Centaur 40 для децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды;

• Обзор условий и критериев производительности ГТУ с впрыском пара для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения; Научная новизна:

• выполнен анализ состояние энергетики различных энергоресурсов в Иране за последние десятилетия и влияния энергоресурсов на стабильность производства энергии. Представлены решения для повышения эффективности электростанций;

• проанализировано состояние водных ресурсов, системы опреснения воды на Ближнем Востоке и в мире, а также сравнение их мощностей с Ираном;

• обоснованы экономические и технические стороны децентрализованного производства с целью развития процессов опреснения воды и улучшения обеспечения водой в Иране;

• обосновано производство электроэнергии и пресной воды на основе: газотурбинной установки, двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на газовом

топливе и распределительных сетей при помощи разных технологий опреснения морской воды;

• впервые выполнен анализ эффективности ГТУ с впрыском пара и его взаимодействие с опреснительной установкой;

• обоснованы условия и предложены критерия производительности ГТУ с впрыском пара для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения.

Личный вклад автора. Все обобщения, расчётно-теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе выполнены непосредственно автором.

Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение для Ирана. Решить задачу повышения выработки электроэнергии можно не только за счет строительства новых электростанций, но и путем модернизации действующих. В Иране есть проблема

и /—Ч и ^ и

питьевой воды. С другой стороны в этой стране много электростанций находящихся на юге Ирана рядом с Персидским заливом. Эти электростанции могут использоваться для обеспечения пресной воды.

Методология и методы исследования. В работе использовались как теоретические методы (идеализации, формализации), так и экспериментальные (моделирования, сравнения). В данной работе, при определении характеристик и производительности системы опреснения воды использовался пакет «Thermoflow». Источниковая база исследования.

• Нормативно-правовые акты государства, обосновывающие институциональную основу системы общего образования;

• Официальные документы Министерства образования, включая доклады, аналитические отчёты, научные программы, планы реформ;

• Документы и материалы учебных заведений, включая учебники, учебные пособия, программно-методические документы;

• Научные публикации авторов, научные статьи, материалы конференций, монографические исследования;

• Интернет-ресурсы, в том числе, официальные сайты Министерства энеогии Ирана, научных центров, открытые архивных, образовательные ресурсы. Достоверность и обоснованность полученных результатов.

Компьютеризированные модели комбинированных систем на основе ГТ были подтверждены: (1) оценкой физической чувствительности результатов расчета для каждого компонента и для всего цикла, (2) возможностью относительных погрешностей только 10-4 в программе Aspen Plus (3) сравнением с имеющимися результатами, (4) оценкой относительных погрешностей в массовом и энергетическом балансе компьютеризированной модели устройства METVC, где ранее было установлено, что<10-5 и далее <10-13.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, в их числе 7 статей в ведущих российских рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четыре глава, заключения, списка литературы.

Основной текст изложена на 136 страницах, диссертация содержит 38 рисунков, 51 таблицу, список использованных источников, включающий 75 наименования.

Диссертация выполнена на кафедре турбин, гидромашин и авиационных двигателей Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого под руководством профессора, д.т.н., Рассохина В.А.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ НА БЛИЖНЕМ ВОСТОКЕ

1.1. Современное состояние водных ресурсов в Иране

Вода представляет собой неорганическое соединение, и ее роль в

биологических процессах настолько велика, что она незаменима ни одним другим веществом. В глобальном масштабе распределение воды имеет серьезный дисбаланс, и на сегодняшний день ее количество также ограничено. Уже сегодня человечество стоит перед одной из основных задач - сохранение жизни миллионов людей в условиях засухи и низкого уровня воды. Рисунок 1. 1 показывает прогноз водных ресурсов мира в 2025 году [1].

Среди вариантов расширения доступа к воде можно было бы отметить и процесс опреснения воды. В процесс опреснения воды включены технологии, которые превращают соленую воду в пригодную для питья, а также для использования в сельскохозяйственной и промышленной деятельности. Питьевая вода получается на основе тех водных ресурсов, которые невозможно применять из-за высокого содержания солей в них.

Рисунок 1.1 Прогноз водных ресурсов мира в 2025 году Только за последние 45 лет достигнут высокий уровень выработки пресной воды: почти от нуля до 70 миллионов кубических метров в сутки и даже больше. А в мировом масштабе, было построено около 16000 единиц оборудования для опреснения воды. Интересен тот факт, что рост производства в 2000 году составлял

до 26 миллионов кубических метров в сутки, в 2007 году - более, чем до 45.5 миллионов кубических метров в сутки, а производство в 2012 году достигло почти 70 миллионов кубических метров в сутки [1].

Таблица 1.1 Рост населения на Ближнем Востоке и в Северной Африке [1]

Страна Население в 1950 году (Миллион человек) Население в 2014 году (Миллион человек)

Сирия 3.5 22

Египет 20 85

Йемен 4.5 25

Саудовская Аравия 3 29

Ирак 5 25

Иран 16 75

Тем временем, примерно две трети мирового спроса на потребление и получение пресной воды промышленным способом идет со стороны стран, находящихся на Ближнем Востоке, а также - в Северной Африке. К причинам такого высокого спроса можно отнести увеличение численности населения, теплые сухие погодные условия и жесткие ограничения пресной воды в этих районах. Например, для удовлетворения потребности в питьевой воде Катар и Объединенные Арабские Эмираты практически полностью зависят от опреснительных установок. Согласно статистическим данным, Саудовская Аравия имеет самый большой в мире резерв питьевой воды, полученной с помощью опреснительных установок. Статистические данные также показывают, что в 2010 году в данном регионе каждый день производилось около 30 миллионов кубических метров пресной воды, и предположительно, эта цифра достигла в 2015 году приблизительно 40 миллионов кубических метров в сутки.

Рисунок 1.2 показывает страны, которые входят в первую десятку в области опреснения воды и с 2003 года по настоящее время нуждаются в самом большом объеме выработки пресной воды [1].

Рисунок 1.2 Страны с наибольшей мощностью опреснения воды с 2003 года Кроме того, Иран сталкивается с серьезным кризисом, связанным с резким снижением объема водных ресурсов. В Иране среднее выпадение осадков - около одной трети среднегодового мирового выпадения осадков. Жаркие и сухие климатические условия Ирана так же обусловлены географически. В результате, потенциальная эвапотранспирация водных ресурсов в Иране значительно выше средних мировых показателей: через несколько дней после выпадения осадков более чем две трети из них испаряется. Кроме того, с ростом численности населения и изменением образа жизни, уровень потребности в пресной воде увеличился, и это ситуация станет более критической в недалеком будущем.

Несмотря на такое большое значение пресной воды для Ирана в связи с засухой, потерей природных ресурсов воды, высушиванием подземных водоносных ключей и уменьшением количества поверхностных стоков на 40%, в настоящее время только около 500 тысяч кубических метров морской воды опреснено в Иране. Эта цифра эквивалентна лишь 7 литрам производимой воды на каждого иранца в день.

За последнее десятилетие некоторые южные области Ирана, несмотря на возможность опреснения воды, столкнулись с проблемой удовлетворения потребности в пресной воде и даже выделением лимитированной доли воды на каждого человека. И это несмотря на то, что страны Персидского залива такие, как Саудовская Аравия и Объединенные Арабские Эмираты, сделали крупные инвестиции в область опреснения воды, и, имея меньшую численность населения, используют в несколько раз больше воды из Персидского залива, чем Иран. В Саудовской Аравии производится более 180 литров на душу населения в день, а в Объединенных Арабских Эмиратах - около 1000 литров в сутки на одного человека. Этот объем в 150 раз выше, чем объем производимой пресной воды на душу населения в Иране. В таблице 1.2 представлены продукт на душу производства пресной воды в регионе Персидского залива [1].

Таблица 1.2 Продукт на душу производства пресной воды в регионе Персидского залива

Страна Продукт на душу производства пресной воды [литр / сутки]

Объединенные Арабские Эмираты 1000

Катар 500

Саудовская Аравия 180

Иран 7

1.2. Технологии опреснения

С давних пор, многие технологии были разработаны для изготовления

питьевой воды из солоноватой и морской воды, и использование каждой технологии зависит от качества и количества пресной воды, потребления энергии, эффективности процесса и себестоимости продукции. Таблица 1.3 показывает важные методы опреснения воды.

Таблица 1.3 Важные методы опреснения воды

Технологии опреснения Источник Процесс Название метода

Дистилляция мгновенным

вскипанием

(Multi Stage Flash - MSF)

Многоколонная дистилляция

Испарение (Multi Effect Distillation - MED)

Термальная паровая компрессионная

Тепловой + установка (Thermal Vapor Compression - TVC)

Электрический Солнечное опреснение

Разделение воды (Solar Desalination - SD)

Замораживание (Freezing)

Кристаллизация Гидратообразования (Formation of Hydrates)

Испарение и Мембранная дистилляция

Фильтрование (Membrane Distillation - MD)

Механическая паровая

Электрический Испарение компрессионная установка (Mechanical Vapor Compression -MVC)

Ионная Обратный осмос

фильтрация (Reverse Osmosis - RO)

Электрический Ионная миграция Электродиализ (Electro dialysis - ED)

Удаление Ионный обмен

соли Химический Другие (Ionic Exchange - IX)

Экстракция (Extraction)

Сегодня, дистилляция и мембранные методы являются двумя основными процессами опреснения морской воды. Среди этих методов, MSF, MED, TVC и RO подходят для производства пресной воды большой и средней мощности. Гибридные системы опреснения, которые сочетают оба тепловых и мембранных опреснительных процесса с системой производства электроэнергии, в настоящее время рассматриваются в качестве надлежащей экономической альтернативы и представляют собой выпарные установки двойного назначения. Гибридные конфигурации (мембрана/тепло/мощность/электроэнергия) характеризуются гибкостью в эксплуатации, небольшим удельным энергопотреблением, низкой стоимостью строительства, лёгкостью установки равновесным сочетанием производимых воды и электроэнергии.

1.2.1. Процесс теплового опреснения

Электростанция обычно отдаёт в атмосферу около двух третей её входной

энергии как бесполезное тепло. Следовательно, существует большой потенциал для дополнительных работ, которые бы использовали эти отходы тепловой энергии. Использование этих отходов тепловой энергии в опреснительных установках чтобы производить недорогую питьевую воду, является ключом к преодолению сразу четырёх проблем, а именно:

• Нехватка воды в засушливых и полузасушливых районах;

• Низкая эффективность электростанции;

• Глобальное потепление;

• Чрезмерное использование нефти и газа в мире.

В процессе MED выпаривают для получения бессолевого пара, который затем конденсируют в пресную воду. Чтобы увеличить эффективность системы, тепло извлекается из паров путём конденсации и применяется для испарения дополнительного солевого рассола при более низком давлении. Внешний источник греющего пара нужен только для испарителя при высоком давлении. В этой системе греющий пар проходит внутри горизонтальных труб внешнюю поверхность которых опрыскивают солевым раствором, откуда он частично испаряется. Эффективность процесса MED можно увеличить путем добавления в систему сжатого теплового пара (TVC). В системе TVC, доля паров от конечного выхода собирается и сжимается паровой струей эжектора в один или два этапа. Рисунок 1.3 показывает принципиальную схему для теплового опреснения.

Процесс опреснения MED отличается надежностью конструкции, высоким качеством производимой питьевой воды, хорошей операционной историей, относительно высокой единичной мощностью и высокой степенью производительности. Кроме того, в отличие от процесса MSF, можно улучшить производительность за счет увеличения количества эффектов, что минимизирует затраты на обессоленную воду. Кроме того, этот метод обеспечивает более высокие общие коэффициенты теплопередачи и небольшую удельную поверхность для теплопередачи по сравнению с системами опреснения MSF. Он не использует рециркуляцию и, поэтому имеет низкие требования к энергии накачки.

О Пар

Рисунок 1.3 Принципиальная схема для теплового опреснения

1.2.2. Процесс мембранного опреснения

Слово "мембрана" может быть определено как полупроницаемый барьер,

который позволяет воде но не соли проходить через него. Обратный осмос ^О) это один из мембранных методов. В нормальном процессе осмоса, растворитель естественно движется из области низкой концентрации растворенного вещества (высоковольтные воды) через мембрану к области высокой концентрации растворенного вещества (низковольтные воды). Под влиянием внешнего давления естественный поток чистого растворителя обращается вспять, что и, является обратным осмосом.

Морская вода проходит через блок предварительной обработки, чтобы предотвратить осаждение соли или рост микроорганизмов, а затем она протекает в сосуде под давлением, и в это время концентрация соли поддерживается. Затем происходит выгрузка воды, прежде чем она проходит через мембрану. После этого питьевая вода вместе с небольшим количеством соли проходит через мембрану и затем после окончательного очищения переходит к блоку стабилизации для дальнейшего хранения или использования. Рисунок 1.4 показывает принципиальную схему для обратного осмоса.

ОСМОС

Полупроницаемая мембрана

—

Давление 4i

ОБРАТНЫЙ

I ПРЦПГ I |

Как еы брать систему обратного oci —гвдуг^ницзй'раан

мембрана

L

Направленна потока воды

Направление потока воды

Уплотнительное копьцр Вход воды

Отброс Попу проницаемый Бченяй

слой

Рисунок 1.4 Принципиальная схема для обратного осмоса

1.3. Описание деятельности осуществляется в области опреснения воды

Методы опреснения по использованию делятся на тепловые и мембранные

опреснительные системы. Многоколонная дистилляция и обратный осмос являются наиболее распространенными методами. Йохансен и др [2], Камель и Симс [3] изучали сочетание различных электростанций и систем опреснения воды (RO, MED и MSF) для одной цели, двойного назначения и для гибридного опреснения. Они представили финансовую модель на основе классического метода распределения затрат и объектов двойного назначения для оценки стоимости интегрированного предприятия, а также расчет мощности и стоимости воды. Влахос и Калдель [4] изучали использование тепла выхлопных газов газовой турбины с помощью технико-экономического подхода для получения пресной воды. Они пришли к выводу, что могут обеспечить свежую воду, необходимую

местным жителям, и уменьшить ежегодный импорт нефти примерно на 15 000 тонн. Фиорини и Сциубба провели термо-экономический анализ MED опреснительной установки [5]. Они представили модель термодинамического и термоэкономического анализа опреснения технологии MED с параллельным потоком. Опреснительные установки MED были подключены к электростанции комбинированного цикла и получали пар из паровой турбины. Цена воды, полученной в этой системе, в значительной степени больше зависит от стоимости инвестиций, чем от эксплуатационных расходов. Шакартегиу и др. изучали модифицированные электростанции комбинированного цикла [6]. Они оценивали различные системы для регенерации тепла из конденсата паровой турбины. Они использовали энергоустановку с конденсатором комбинированного цикла для повышения температуры соленой воды, а затем изменили регенерацию тепла из дымовых газов трубы для повышения температуры морской воды. Они проанализировали когенерационной цикл электростанции и блока опреснения. И, наконец, они оценили влияние таких параметров, как давление в конденсаторе, температура дымовой трубы для газа и температура охлажденной воды на входе в конденсатор. Они пришли к выводу, что для всех предложенных схем когенерации, ожидается снижение выработки электроэнергии в связи с увеличением давления в конденсаторе. Чжао и др. использовали MED опреснение для физиологического раствора сточных вод нефтеперерабатывающего завода в Китае. Термодинамическая модель, которая была основана на балансе массы и энергии, была разработана на различных стадиях процесса опреснения [7]. Они показали, что в системе MED, количество эффектов является важным параметром для поддержания баланса между затратами и более продуктивной добычей воды. Таким образом, увеличение количества эффектов привело к увеличению капитальных затрат и преодолело затраты на воду. С другой стороны, они обнаружили, что общие площади теплопередачи системы уменьшаются с увеличением температуры подачи пара. Они также обнаружили, что повышение

температуры испарителя в последнем эффекте привело к увеличению фактора GOR1.

Аль-Мутаз и Вазиру рассмотрели текущее состояние систем опреснения MED-TVC и смоделированы его [8-9]. Ханафиа и др. изучали термоэкономическую модель комбинированной силовой установкой когенерации. Предприятие MED-TVC имеет оптимальное проектное значение для максимального производства воды [10]. Амер разработал метод системного анализа опреснения METVC [11]. Он предположил, что максимальный коэффициент усиления для 4 и 12 эффектов колебался от 8,5 до 18,5. Он использовал оптимальную наивысшую температуру раствора в диапазоне от 55,8 до 67,5 °C. Паула и др. были сосредоточены на математическом моделировании и оптимизации многоэффектных испарительных установок (MEE). Была представлена детальная модель, чтобы точно предсказать производительность системы MEE [12].

Сундарамурти и др. представили новую аналитическую модель, которая предоставила явные уравнения для пространственных изменений давления, скорости жидкости и концентрации растворенного вещества на канале подачи на стороне спиральнонавитого модуля RO [13]. Чжу и др. оценивали оптимальный удельный расход энергии (SEC), соответствующее восстановление воды и удельную производительность мембраны для одной ступени и двухступенчатых систем мембранного опреснения RO и предложили оптимальную политику динамических операций, которые могли бы существенно сократить удельный расход энергии по сравнению с установившимися операциями процесса [14]. Эсхул и др. представили анализ эксергии фактической двухступенчатой системы опреснения морской воды (RO) с раствором морской воды в качестве реальной смеси (не идеальной смеси) [15]. Они предположили, что с помощью турбины рекуперации энергии и давления обменника можно добиться снижения общего энергопотребления опреснения морской воды методом обратного осмоса (в

1 GOR является мерой того, насколько тепловой энергии потребляются в процессе опреснения

пределах 30% и 50%). Они показали, что удельный расход электроэнергии для опреснения морской воды методом обратного осмоса на м3 пермеата может быть снижен с 7,2 кВт / м3 до 5,0 кВт / м3 для турбины рекуперации энергии и на 3,6 Вт / м3 для применения теплообменника, работающего под давлением. С другой стороны, эффективность эксергии опреснительных установок RO увеличивается примерно на 49% с турбиной рекуперации энергии и на 77% при использовании теплообменника, работающего под давлением. Они доказали, что с помощью турбины рекуперации энергии и теплообменника, работающего под давлением, можно повысить производительность системы обратного осмоса.

Гурия и др. применили схему многоцелевой оптимизации (МОО) с использованием генетического алгоритма (ГА) для опреснения соленой и морской воды, используя спиральнонавитый или трубчатый модули [16]. Площадь мембраны была самой важной переменной решения при проектировании спирального модуля для опреснения соленой и морской воды, в то время как Р является наиболее важной переменной решения при проектировании трубчатого модуля для опреснения соленой воды (где качество пермеата имеет первостепенное значение). Площадь мембраны в качестве проектного параметра в опреснения соленой и морской воды с использованием спиральнонавитых модулей и приложенного давления в качестве рабочего параметра при опреснении соленой воды с использованием трубчатых модулей, являются наиболее важной переменной решения. Они обнаружили, что алгоритм NSGA-П-AJG наиболее быстрый по сравнению с другими алгоритмами с небольшими расчетными начинаниями. Йавей и др. предложили многоцелевую оптимизацию сетей обратного осмоса ^О) для опреснения морской воды. Были проведены анализ эксергии и экономический анализ [17]. Ли и др. анализируют удельный расход энергии в обратном осмосе [18]. Они обнаружили, что за счет увеличения числа ступеней и добавления устройства рекуперации энергии, нормированный удельный расход энергии (нормированная корма осмотического давления) будет снижена.

Хамед, Альмулла и др. исследовали применение гибридных опреснительных систем на тепловых электростанциях. В этих работах были изучены системы производства пресной воды, в том числе обратного осмоса и термического обессоливания [19-20]. Кардона и др. рассматривали блок опреснения MED-RO. В этом исследовании, требуемая тепловая энергия опреснительного блока MED, производилась дизельным генератором [21]. Они оптимизировали минимальную стоимость единицы продукции пресной воды и установили сокращение выбросов углекислого газа на 30% и снижение себестоимости единицы пресной воды на 8%. Мессинео и др. также провели исследование схожее с исследованием Кардона, за исключением нескольких различий [22]. Они показали, что восстановление тепловой энергии из твердых бытовых отходов имеет экологический и энергетический аспект. Сжигание отходов сокращает потери пространства на свалках и негативное влияние на окружающую среду. MED-RO - гибридная схема опреснения с питанием от солнечной энергии была предложена Иакинелло и др. [23]. Они представили экономический анализ с развитой комплексной моделью, рассматривая некоторые параметры, такие как доступность энергии, уровень производства воды и экологические выгоды. Они обнаружили, что опреснение с применением системы CSP пригодно для непрерывной работы. Лутатиду и др. представили элементарный технико-экономический анализ систем RO и MED, используя низкую энтальпию геотермальной энергии [24]. Они провели геотермальное опреснение с использованием системы MED, на основе непосредственного использования геотермального тепла и геотермального RO с питанием от геотермальной бинарной электростанции. Они пришли к выводу, что геотермальные системы RO потенциально очень рентабельный вариант для геотермального опреснения морской воды в странах Совета по сотрудничеству стран Персидского залива. С другой стороны, некоторые параметры, например, качество входной воды, эксплуатационный цикл геотермальных и опреснительных систем, качество геотермальных ресурсов, стоимость бурения скважин и температура закачки используемого геофлюида потенциально может изменить

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Наими Аббас, 2017 год

»■ -

• - •-- " • ....... • .....•

А » * .......... * - А

■ ■■ т- " т-

0 2 4

■ 350 -345 -340 -335

- 330 -325 — -320 -315 -310 % -305 V

- 300 -295

290

- 265 280

Рисунок 4.8 Влияние нагрева морской воды на РЯ и a Нагрев морской воды помогает уменьшить разницу температур между нагретой морской водой и конденсируемым паром в каждом эффекте, за исключением последнего, что приводит к более эксергия-эффективному процессу передачи тепла, и к увеличению производства воды, но также увеличивает удельную площадь, необходимую для нагревания морской воды. Поскольку испарение морской воды является основным процессом переноса тепла в эффектах, а площадь испарения является доминирующим фактором всей площади, увеличение площади в процессе нагрева морской воды оказывает незначительное влияние на а.

4.3.4. Выбор параметров и производительность опреснения METVC

В системе METVC, рт, который определяется источником тепла (котел,

электростанция или промышленный процесс) имеет огромное влияние на РЯ,

особенно когда ^рт<1.5 МПа (Рис. 4.5), однако, он имеет незначительное влияние на удельную площадь, в то время как коэффициент сжатия СЯ и количество эффектов п имеют значительное влияние как на РЯ, так и на а.

Рисунок 4.9 РЯ системы опреснения с шестью-эффектом Удельная площадь а, влияет на стоимость оборудования, и, следовательно, главным образом определяет СЯ и п в условиях расчетов, представленных в таблице 4.1. Вместо детальных исследований экономики и технологической оптимизации, необходимых для выбора параметров, мы отобрали в работе, ссылаясь на информацию от коммерческих представителей, систему METVC уже описанную ранее [64], TVC с шестью эффектами и следующими параметрами: СЯ = 3.5, удельная поверхность примерно 301 м2/(кг/сек.), незначительно изменив только рт (Рисунок 4.5). Показатель РЯ системы с и без подогрева показан на рисунке 4.9.

4.4. Расчет условий и критериев производительности для анализа комбинированных систем производства энергии и опреснения

Основные расчеты условий и предположений указаны в таблице 4.3. Для

проведения моделирования цикла ГТ был использован Коммерческий код Аспен Плюс [72].

Таблица 4.3 Основные условия и предположения для моделирования систем,

основанных на цикле ГТ

Условия воздуха на входе 25°С, 1 атм. со 100% относительной влажностью воздуха

Состояние анализа эксергии 25°С, 1 атм. со 100% относительной влажностью воздуха

Топливо СН4

Изоэнтропический КПД компрессора 0.88

Изоэнтропический КПД турбины 0.9

Падение давления на входе компрессора 1% давления на входе

Падение давления в камере сгорания 3% давления на входе

Падение давления в трубе 1% давления на входе

Падение давления в КУ 3% давления на входе

Падение давления в теплообменнике типа газ-газ 3% давления на входе

Падение давления в теплообменнике типа газ-вода 2% давления на входе

Падение давления в теплообменнике типа газ-вода прямого контакта 2% давления на входе

Эффективность камеры сгорания 0.99

Минимальная точка разности температур КУ, °С 15

Минимальная защемления разности температур на горячей стороне КУ, °С 50

Минимальные температура на выходе КУ, °С 140

Минимальная движущая сила энтальпии разности во влажности кДж/кг 25

Эффективность температуры в теплообменнике типа 0.82

газ-газ

Давление пара на входе в цикл ГТУ с впрыском пара На 0.5 МПа выше, чем давление в камере сгорания

Это исследование было сосредоточено на комбинированных системах производства энергии и воды. Детальный анализ производительности и сравнение мощности циклов производства энергии доступны в других публикациях [73-75]. Компьютеризированные модели комбинированных систем на основе ГТ были подтверждены: (1) оценкой физической чувствительности результатов расчета для каждого компонента и для всего цикла, (2) возможностью относительных погрешностей только 10-4 в программе Aspen Plus (3) сравнением с имеющимися результатами (Таблица 4.2), (4) оценкой относительных погрешностей в массовом и энергетическом балансе компьютеризированной модели устройства METVC, где ранее было установлено, что<10-5 и далее <10-13. Было бы хорошо проверить результаты с помощью экспериментальных данных, но единственный способ, который мы обнаружили, это концептуальный проект системы ГТУ с впрыском пара и METVC [63] где недостаточно информации, чтобы запустить нашу модель.

4.4.1. Критерии производительности

Ниже описаны критерии эффективности для анализа использования энергии

и эксергии, комбинированных систем производства воды и энергии, необходимые для понимания процессов и способов, с помощью которых они могут быть улучшены.

1. Тепловая эффективность п? и эффективность эксергии se циклов:

W W

W W

Ее=Т = ~^Г (410)

Где W чистая выходная мощность газовой турбины предприятия, т/ - масса топлива, поступающего в камеру сгорания, а q/ и ef низкая теплота сгорания и

удельная эксергия топлива, соответственно.

2. Коэффициент потери тепла х и коэффициент потери эксергии /е каждого компонента. Коэффициент потери тепла х это потери тепла Q/ в каждом компоненте как часть входной энергии топлива Qf, и коэффициент потери эксергии Хе потеря эксергии Е/ к эксергии топлива Е/

(411)

Е1 Е1

хе=ТГ = —~ (4.12)

3. Коэффициент восстановления тепла ^ и коэффициент восстановления эксергии £е. В сочетании двух исследуемых систем, часть выходящей энергии газа восстанавливается путем впрыска пара в парогенератор установки утилизации тепла (КУ) в ГТУ с впрыском пара, затем они возвращаются в камеру сгорания; часть энергии восстанавливается рабочим паром, используемым в качестве источника тепла для опреснения воды. Очевидно, что повышение показателей восстановления тепла улучшает эффективность процесса, и используемые критерии это & восстановленное тепло Qr как часть энергии входящего топлива Qf, и восстановленая эксергия Ег как часть эксергии входящего топлива Е/

с & Чг

^ = (413)

Ъ=Т = 1^Т (414)

4.Коэффициент энергия-в-воду Яpw.

Коэффициент энергия-в-воду Ярм, это коэффициент выработанной энергии w к массе добываемой воды тм,, что является ключевым фактором при определении эффективности комбинированного производства энергии и воды.

ЯРы=м/тм (4.15)

MW/MIGD часто используется в качестве единицы Я^ (1 MIGD = 52.662 кг/сек).

5. Нормализованная мощность и произведенная вода.

Чтобы более ясно обозначить чувствительность производства энергии и воды

в комбинированных системах т» и » они нормализованы обычным циклом производства воды т»0 и выхода энергии w0 показанным в таблице 4.4. Технологическая схема комбинированной системы на основе обычного цикла, как в ГТУ с впрыском пара, представлена на рисунке 4.10, за исключением того, что в простом цикле пар не запускается в камеру сгорания.

Таблица 4.4 Производительности базовой системы для нормализации

Шаблон цикла Простой цикл газовой турбины

Опреснительная установка TVC с шестью эффектами, CR = 3.5, Mph= 4°C

Коэффициент давления, в 10

Температура сгорания (TIT), °C 1300

Давление рабочего пара для опреснения, pm, МПа 1.5

Общий выход энергии, w0,gross, кДж/(кг топлива) 16390

Чистый выход энергииа, w0, net, кДж/(кг топлива) 15692

Производство воды, mw0, кг/(кг топлива) 97

аПринимая работу насосов по производству воды за 7.2 кДж/(кг дистиллята) [51].

Рисунок 4.10 Схема системы когенерации электроэнергии и пресной

воды

К, Компрессор; КС, Камера сгорания; ТК, Топливный компрессор; Г, Генератор; КУ, Котел-утилизатор; Н, Насос; Т, Турбина; ТОУ, Теплоопреснительная установка;

4.5. Конфигурация ГТУ с впрыском пара для когенерации электроэнергии и пресной воды

Рисунок 4.10 схематично иллюстрирует интегрированные системы производства энергии и воды, основанные на циклах ГТУ с впрыском пара, в которых часть напитанной воды произведенной в КУ используется для работы тепловой опреснительной установки (ТОУ), а остаток нагревается и затем вводится в камеру сгорания (КС) для повышения выходной мощности. Конфигурация системы, которая использует исходящий газ для нагрева морской воды, не используется для избегания возможных проблем коррозии и образования осадка, вызванных высокой температурой морской воды, которая будет произведена.

В обычном цикле ГТУ с впрыском пара все тепло от отработанного газа газовой турбины используется для производства пара. Оптимальные рабочие характеристики могут быть получены, если температура и масса пара достигает максимального значения, допускаемого техническим состоянием КУ. Если часть

энергии используется для производства воды, эффективность nt и ee цикла, и выходная мощность, уменьшаются. Выходная мощность еще ниже, когда причисляется работа насоса, потребляемая опреснительной установкой. Производство воды осуществляется за счет сокращения производства энергии, что является общей характеристикой комбинированных систем по производству энергии и воды.

Коэффициент давления в компрессора, температура на входе в турбину (температура сжигания топлива TIT), и расход пара Xj - самые важные параметры, которые влияют на производительность систем цикла ГТУ с впрыском пара и комбинированных систем.

4.5.1. Влияние коэффициента расхода пара xj

В цикле ГТУ с впрыском пара при указанных в и TIT, массовое соотношение

используемого пара к сжатому воздуху, Xj,

xj=mj/ma (4.16)

является доминирующим фактором, влияющим на Rpw, поскольку оно определяет распределение энергии и эксергии отработанного газа в КУ между поданным паром и рабочим паром и, следовательно, энергии топлива и распределения эксергии для производства электроэнергии и воды.

Рисунок 4.11 показывает влияние Xj а рисунок 4.12 является примером использования энергии и эксергии при разных Xj. Повышение Xj увеличивает количество тепловой энергии и эксергии отработанного газа газовой турбины, который используется для производства пара для ввода, что уменьшает количество доступной для опреснения воды (Рис. 4.12). Это приводит к увеличению выработки электроэнергии и снижению количества производимой воды (Рис. 4.11). Очевидно, что увеличение Xj также повышает потребление воды, тем самым еще больше сокращая количество произведенной воды (Рис. 4.11). При определенном значении Xj, чистая добыча воды mw,net становится нулевой (Рис. 4.11), что называется "самопроизводство воды."

Самопроизводство воды - способ решить проблему поступления воды для нагнетания для предприятий цикла ГТУ с впрыском пара, которые производят только электроэнергию. Для системы опреснения соленой воды включая устройство предварительной обработки морской воды, опреснительную установку, подачу раствора сливные трубопроводы и т.д., необходимо, чтобы часть пара, примерно 10% в случае, как показано на Рисунке 4.11, произведенного в КУ служила источником тепла для опреснения. В исследовании предполагается, что соленая вода доступна. Добавление конденсатора после КУ - другой способ производить воду, что уже обсуждалось ранее [55-58]. В случае, показанном на Рисунке 4.11, дымовой газ должен быть охлажден до 53°С, чтобы восстановить закачиваемую воду. В этом случае необходимы конденсатор, система циркуляции охлаждающей жидкости и охлаждения, блок обработки конденсата. Метод выбора определяется с помощью экономического анализа для конкретной электростанции.

Рисунок 4.11 Нормированное производство электроэнергии и пресной

воды в зависимости от X).

Н-1-1-1-1—> 1-1-1-1-

28 56 84 112 140 % 24 «8 72

Потребление энергии Потребление эксергии

Рисунок 4.12 Использование эксергии и энергии комбинированной системы на базе цикла ГТУ с впрыском пара для различных Х^. в=10;

ТПМ300 °С

4.5.2. Влияние коэффициента давления в и температуры газа на входе в

турбину(TIT) цикла

Рисунок 4.13 показывает эффективность эксергии se и температурный КПД п? цикла ГТУ с впрыском пара, так же как и коэффициент восстановления эксергии <^e,D и коэффициент восстановления энергии £tjD для опреснения, для различных в (от 10 до 30), TIT (1100°C и 1300°C) и Xj (0.05 и 0.1). Мы можем видеть, что процентное соотношение топливной энергии / эксергии преобразуется в энергию и потребляется для опреснения. Хотя £e,D и £tjD представляют только тепловую энергию/эксергию для опреснения воды, они определяют производство воды, как показано ниже, таким образом, работа насоса является лишь малой частью расхода энергии при опреснении. Рисунок 4.14 показывает приведённую мощность и производство воды, а рисунок 4.15 - использование эксергии и энергия для различных в.

Эти рисунки показывают, что se и п? имеют ту же тенденцию, что и выработка электроэнергии w, в соответствии с определением se и п? в соотношениях (4.9) и (4.10). В пределах изученного в, для фиксированного Xj, более высокий в повышает se, nt и w, как уже было установлено[73]. Увеличение TIT, как уже известно, также повышает эффективность производства электроэнергии.

Рисунки 4.13 и 4.14 также показывают что <e,D и <t,D и производство воды mw имеют ту же тенденцию, в соответствии с определением <eD и <tD соотношениями (4.11) и (4.12). Противоположно влиянию в на мощность, mw уменьшается с увеличением в, так как температура отработанного газа из газовой турбины ниже для более высокой в; следовательно, меньше энергии и эксергии могут быть восстановлены для опреснения (Рис. 4.15).

Высокий TIT не только полезен для выработки электроэнергии в цикле ГТУ с впрыском пара, но и для скорости получения воды (Рис. 4.14), так как высокая температура на выходе из турбины дает больше энергии и эксергии доступных для опреснения воды.

Следует отметить, что <eD, <tD и mw уменьшаются более резко с в при TIT=1100°C, чем при TIT =1300°C, что определяется процессом переноса тепла в КУ. Как показано на Рисунке 4.16, когда TIT=1300°C и в=30, отработанный газ может быть охлажден до минимальной температуры, мы допускаем до 140°C, но когда TIT=1100°C, минимальный температурный перепад между двумя средами ATp в КУ ограничивает процесс теплообмена. Для того, чтобы соответствовать минимальным ATp мы допустили, что температура выхлопных газов на выходе из КУ в этом случае должна быть увеличена до 167.7°C, в результате чего более резкое снижение и и, следовательно, mw.

Рисунок 4.13 Влияние в и TIT на Бе, ц, <e,D и <tD в комбинированной системе на базе цикла ГТУ с впрыском пара. (а) Вариации Бе и <e,D с в и TIT; (б)

Вариации п? и && с в и Т1Т

Рисунок 4.14 Нормированное производство электроэнергии и пресной

воды в зависимости от в

1*1 X А"» /1ля ппр,ГВР„„. отработанного /

35 В 43 20 14 / *

00 1 23 15

42 за 2в 16

инжекции

Потребление энергии

Рисунок 4.15 Использование эксергии и энергии комбинированной системы на базе цикла ГТУ с впрыском пара для различных в. Т1Т=1300

°С; х,=0.05

Рисунок 4.16 Схема теплообменника в различных ТВТ.

4.5.3. Восстановление энергии из отработанного газа

Рисунок 4.12 показывает, что энергия выпущенная в окружающую среду

значительно возрастает с увеличением Ху из-за увеличения доли пара в отработанном газе, и соответствующего большего количества скрытой теплоты воды. Например, потери тепла и эксергии с отработанным газом составляют 19.3% и 5.2%, соответственно, при в=10, Т1Т=1300°С и х,=0.05, и 34.9% и 7.1%, соответственно, когда Ху= 0.15.

Трудно использовать тепло отработанных дымовых газов из-за их низкой температуры. Газ содержит водяной пар, и, таким образом, при охлаждении, в первую очередь теряет свое теплосодержание, пока температура не снизится до уровня конденсации водяного пара, в этой точке также выделяется скрытая теплота конденсации. Рисунок 4.17 показывает тепло, выделяющееся в процессе охлаждения дымового газа от 140°С до 40°С. Мы можем видеть, что когда х,=0.05, больше 60% общего тепла выделяется в диапазоне температур от 57.5°С до 40°С при конденсации водяного пара в трубе, и когда х,=0.15, около 80% тепла выделяется в диапазоне температур от 68.5°С до 40°С. Следовательно, невозможно использовать это тепло для производства пара для опреснения воды.

Рисунок 4.17 Тепло, выделяющееся в процессе охлаждения дымового газа Есть три способа использования тепла дымового газа. Первый предназначен для нагревания воды для технических целей, в то же время вода из дымового газа извлекается путем конденсации. Второй способ - предварительно нагреть морскую воду (часть потока 16 на рисунке 4.1) подающуюся в опреснительную установку для восстановления тепла, и в то же время, восстановить пар в дымовом газе. Теплообменник опосредованного контакта вода-газ необходим в обоих случаях, и если восстановленная вода будет использоваться, ее следует обработать, чтобы отделить нежелательные компоненты дымовых газов. Третий способ заключается в использовании теплообменника прямого контакта газа с морской водой для нагрева морской воды для опреснительной установки, но только в тех случаях, когда дымовой газ не содержит добавок, которые могут быть вредны, если будут присутствовать в произведенной воде или, если они могут привести к снижению производительности установки. Второй способ является наиболее энергетически выгодным для комбинированных систем на основе ГТУ с впрыском пара, так как нагрев морской воды может увеличить производство пресной воды, а также повторно использовать пар дымовых газов, что выражается в более высокой производительности чистой воды. Теплообменник должен быть разработан таким

образом, чтобы выдерживать присутствие обоих агрессивных жидкостей. Третий способ, в котором используется теплообменник прямого контакта газ-морской воды очень похож на длинный коммерческий способ десульфуризации влажного газа. Он является самым простым и, таким образом, представляется технически возможным [63]. Третий способ выбран в данной работе для восстановления тепла из трубы.

Часть морской воды из конечного конденсатора подается в теплообменник прямого контакта, нагретый до 63°С, а затем, после смешивания с морской водой из конечного конденсатора, в зависимости от массового расхода и температуры, требуемой для каждого эффекта, используется в качестве насыщения в системах METVC с шестью эффектами, в которых не используются подогреватели, так как подаваемая морская вода была предварительно нагрета дымовым газом. Чистое производство воды с и без восстановления тепла приведены на Рисунке 4.18. Эффект восстановления тепла является существенным, и результаты показывают, что можно получить более 16% прироста добычи воды.

Рисунок 4.18 Чистое производство воды с и без восстановления тепла 4.6. Выводы

Газовая турбина рассматривается как перспективный способ получения энергии. Использование циклов ГТУ с впрыском пара в объединенной системе

опреснения воды и производства электроэнергии была проанализирована с использованием критериев эффективности энергии и эксергии. Дается краткое описание и обоснование условий циклов ГТ и систем производства электроэнергии и пресной воды двойного назначения. Смоделирована и проанализирована установка теплового опреснения. Полученные результаты привели к выбору системы парокомпрессионной и многоколонной дистилляции для получения пресной воды из морской воды; далее была исследована производительность систем на основе ГТУ с впрыском пара. Проведенный анализ улучшил понимание систем на основе ГТУ с впрыском пара для производства электроэнергии и опреснения воды, а также способов их улучшения и оптимизации. Некоторые отдельно взятые выводы: (1) система опреснения METVC предпочтительнее системы МЕD в тех случаях, когда давление рабочего пара достаточно высокое, > ~ 3 бар, для запуска парового эжектора, как и в двух комбинированных изученных системах; (2) скорость закачки пара в цикле ГТУ с впрыском пара оказывает сильное влияние на производство воды и электроэнергии и предлагает широкие возможности для проектирования и эксплуатации; (3) более высокий коэффициент давления и более высокие скорости закачки пара цикла ГТУ с впрыском пара увеличивают производство энергии, но снижают темпы добычи воды. Более высокие температуры на входе турбины увеличивают производство энергии и воды; (4) особый прирост производства воды может быть получен путем извлечения энергии из дымовых газов. Данные результаты указывают на то, что подобные системы двойного назначения обладают высоким уровнем синергии не только при утилизации топлива, но и в эксплуатации, в утилизации топлива, а так же предоставляют в эксплуатации свободу выбора конструкционных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических исследований и анализа результатов расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Чтобы сохранить хорошую экологию для будущих поколений Ирана, нужна стабильная и надежная промышленность энергии и воды. В настоящее время, с учетом кризиса энергии в мире, Иран нуждается в лучшем планировании для данной промышленности. Промышленность воды и энергии играет важную роль в экономическом развитии и безопасности страны. Технология производства воды (для различных потребителей, в том числе для питания, сельского хозяйства, промышленного сектора), субсидии на энергию, дистрибуция, образ представления и применения энергии влияют на развитие Ирана.

2. На основе всего перечисленного, можно сделать вывод, что применение системы децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на основе газового двигателя в любом климате не доступнее по цене применению любой технологии опреснения. На самом деле, расход на производство пресной воды с помощью газового двигателя больше, чем расход на использование электричества в распределительной сети. Хотя применение системы децентрализованной когенерации электроэнергии и пресной воды на основе газовой турбины, с применением RO и смешанным опреснением воды, расход на производство воды в различных климатах, на 7-10% меньше, чем расход на использование электричества распределительной сети. Расход на производство воды с применением смешанного опреснения воды на основе газовой турбины примерно на 2% больше, чем RO. Но смешанное опреснение воды является подходящим вариантом для экологии, с учетом восстановления теплоты, уменьшения температуры и количества загрязнённого выходящего газа.

3. Применение теплового опреснения исключительно для производства воды невыгодно по цене, поскольку расход на производство воды высокий, а его мощность низкая. Необходимо отметить, что, в данным случае, 3 МВт.ч производится электричество, что с учетом цены продажи является выгодным.

Такой вариант пригодится, когда электрическая мощность - высокая и необходим небольшой объем пресной воды. Кроме этого, при применении теплового опреснения воды, мощность производства пресной воды с использованием газовой турбины в 3 раза больше, чем при производстве с использованием газового двигателя в аналогичных ситуациях.

4. С увеличением цены на топливо от 0,03 долл. до 0,20 долл. и 0,30, расход на производство электричества и воды растет при использовании ТЭЦ в сравнении с использованием электричества в распределительной сети. И становится еще менее доступным по цене. Но можно сказать, что расход на производство воды при ТЭЦ на основе газовой турбины всегда меньше или равен расходам на производство воды на основе применения электричества в распределительной сети.

5. Система опреснения многоколонной дистилляции с пароэжектором предпочтительнее системы Многоколонной дистилляции в случаях, когда давление рабочего пара достаточно высокое, > ~ 3 бар, для запуска парового эжектора, как и в двух комбинированных изученных системах.

6. Скорость закачки пара в цикле ГТУ с впрыском пара оказывает сильное влияние на производство воды и электроэнергии и предлагает широкие возможности для проектирования и эксплуатации.

7. Более высокий коэффициент давления и более высокие скорости закачки пара цикла ГТУ с впрыском пара увеличивают производство энергии, но снижают темпы добычи воды. Более высокие температуры на входе турбины увеличивают производство энергии и воды.

8. Особый прирост воды может быть получен путем извлечения энергии из дымовых газов. Данные результаты указывают на то, что подобные системы двойного назначения обладают высоким уровнем синергии не только при утилизации топлива, но и в эксплуатации, в утилизации топлива, а так же предоставляют в эксплуатации свободу выбора конструкционных решений.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Обозначения

Газовая турбина ГТ

Газотурбинная установка ГТУ

Система опреснения многоколонной дистилляции с пароэжектором МЕ^С

Котел-утилизатор тепла отходящих газов КУ

Конечный конденсатор КК

Испаритель И

Испарительный ящик ИЯ

Предварительный нагреватель ПН

Паровой эжектор ПЭ

Резервуар для хранения воды РХВ

Компрессор К

Камера сгорания КС

Топливный компрессор ТК

Генератор Г

Насос Н

Турбина Т

Теплоопреснительная установка ТОУ

Удельная площадь тепло передачи ,м2/(кг/сек.) а

Площадь теплопередачи, т2 А

Удельная теплоемкость, кДж/( кгК) с

Коэффициент сжатия CR

Удельная эксергия, кДж/кг е

Эксергия, кДж Е

Потребление удельной эксергии, кДж/(кг дистиллята) ес

Коэффициент расширения ER

Уддельная свободная энтальпия, кДж/кг g

Удельная энтальпия, кДж/кг h

Масса, кг т

Молярная масса, кг/кМоль М

Количество эффектов п

Давление, МПа Р

Коэффициент производительности PR

Низкая теплотворная способность, кДж/кг Я

Тепловая энергия, кДж Q

Газовая постоянная, кДж/(кгК) R

Коэффициент энергия-в-воду, MW/MIGD Rpw

Удельная энтропия,кДж/(кгК) s

Абсолютная энтропия при 25°С и 1 атм, кДж/(кМоль К) S0

Температура, °С или К Т

Температура конденсации, °С Тс

Температура испарения, °С Те

Температура на входе в турбину (температура горения), °С Т1Т

Наивысшая температура раствора, °С ТВТ

Общий коэффициент теплопередачи кВт/(м2°С) и

Коэффициент тепло передачи конденсации, кВт/(м2°С) ис

Коэффициент тепло передачи испарения, кВт/ (м2°С) ие

Удельная работа, кДж/кг w

Энергия, кДж W

Расход пара в цикле STIG xj

Коэффициент насыщения влагойв цикле EvGT хь

Соленость соленой воды, миллионные доли X

Массовая доля У

Мольная доля ъ

Число Нуссельта Ми

Число Прандтля Рг

Число Рейнольдса Re

Длина L

Средняя логарифмическая разница температур LMTD

Поправочный коэффициент f

Диаметр D,d

Удельная теплоемкость при постоянном давлении Ср

Потери давления (кПа) PL

Теплопроводность (Вт / ш.К) К

реческие буквы

Коэффициент давления цикла газовой турбины в

Производительность эксергии термального цикла,% бе

Производительность эксергии парового эжектора, % ев

Производительность эксергии тепловой опреснительной установки,% SD

Тепловой КПД термального цикла, %

Коэффициент потери тепла, % X/

Коэффициент потери эксергии, % Хе

Коэффициент потери эксергии парового эжектора, % ХЕ

Коэффициент восстановления тепла, % ^

Коэффициент восттановления эксергии, %

Формирование энтальпии при 25°С и 1 атм., кДж/ кМоль

Минимальный температурный перепад между двумя средами КУ, °С АТр

Увеличение температуры морской воды в предварительном нагревателе, °С АТр!

Динамическая вязкость (м / с2) Ц

Плотность (кг / м3) Р

Нижние индексы

Воздух a

Отработанный раствор br

Конденсат в конечном конденсаторе con

Отработаная холодная морская вода cool

Опреснение D

Паровой эжектор E

Конечный конденсатор econ

Эффекты в METVC или MED ef

Вовлеченный пар en

Топливо f

Греющий пар h

Конденсат греющего пара hc

Потери l

Рабочий пар m

Минимум min

Чистое производство net

Среда o

Восстановление r

Соленая вода saline

Морская вода sw

Пресная вода w

Контрольные параметры для производства воды и энергии 0

Вход перерабатывающего конденсата ci

Вход перерабатывающего рассола bi

Выход перерабатывающего конденсата co

Выход перерабатывающего рассола bo

Пар из конденсата sc

Пар из рассола sb

Конденсатор с

Газ g

Произведенный пар spr

Насыщение s

Верхние индексы

Стандартное исходное состояние в химической термодинамике

0

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] S. Ahuja, Sustaining Water, the World's Most Crucial Resource // Chemistry and

Water, (2017) 1-22.

[2] J. Johansen, R. Babus'Haq, S. Probert, An integrated CHP and desalination plant // Appl. Energy, 53 (1-2) (1996) 157-178.

[3] I. Kamel, G. Sims, Thermal cycle and financial modeling for the optimization of dual purpose power- cum-desalination plants // Desalination, 109 (1) (1997) 1-13.

[4] G. Vlachos, J. Kaldellis, Application of gas turbine exhaust gases for brackish water desalination: a techno-economic evaluation // Appl. Therm. Eng., 24 (17-18) (2004) 2487-2500.

[5] P. Fiorini, E. Sciubba,Modular simulation and thermo-economic analysis of the multi effect distillation desalination plant // Energy, 32 (4) (2007) 459-466.

[6] R. Chacartegui, D. Sanchez, N. di Gregorio, F. Jimenez-espadafor, A. Munoz, T. Sanchez, Feasibility analysis of a MED desalination Plant in a Combined Cycle Based Cogeneration Facility // Appl. Therm. Eng., 29 (2-3) (2009) 412-417.

[7] D. Zhao, J. Xue, S. Li, H. Sun, Q. Zhang, Theoretical analysis of thermal and economical aspects of multi effect distillation desalination dealing with high salinity wastewater // Desalination, 273 (2011) 292-298.

[8] I.S. Al-Mutaz, I. Wazeer, Current status and future directions of MED-TVC desalination technology // Desalin. Water Treat., 55 (1) (2014) 1-9.

[9] I.S. Al-Mutaz, I. Wazeer, Development of a steady-state mathematical model for MEE-TVC desalination plants // Desalination, 351 (2014) 9-18.

[10] A.S. Hanafia, G.M. Mostafaa, A. Fathya, A. Waheeda, Thermo-economic analysis of combined cycle MED-TVC desalination system // Energy Procedia, 75 (2015) 10051020.

[11] A.O. Bin Amer, Development and optimization of ME-TVC desalination system // Desalination, 249 (2009) 1315-1331.

[12] D. Paula, A. Pio, M. Sergio, Optimization of multi-effect evaporation desalination plants // Desalination, 311 (2013) 1-15.

[13] S. Sundaramoorthy, G. Srinivasan, D.V.R. Murthy, An analytical model for spiral wound reverse osmosis membrane modules: part I — model development and parameter estimation // Desalination, 280 (2011) 403-411.

[14] A. Zhu, P.D. Christofides, Y. Cohen, Energy consumption optimization of reverse osmosis membrane water desalination subject to feed salinity fluctuation // Ind. Eng. Chem. Res., 48 (2009) 9581-9589.

[15] N.M. Eshoul, B. Agnew, M.A. Al-Weshahi, M.S. Atab, Exergy analysis of a two-pass reverse osmosis (RO) desalination unit with and without an energy recovery turbine (ERT) and pressure exchanger (PX) // Energy, 8 (2015) 6910-6925.

[16] C. Guria, K.B. Prashant, K.G. Santosh, Multi-objective optimization of reverse osmosis desalination units using different adaptations of the non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA) // Comput. Chem. Eng., 29 (2005) 1977-1995.

[17] D. Yawei, X. Lixin, L. Jie, W. Yuxin, X. Yingjun, W. Shichang, Multi-objective optimization of reverse osmosis networks by lexicographic optimization and augmented epsilon constraint method // Desalination, 333 (1) (2014) 66-81.

[18] M. Li, Reducing specific energy consumption in reverse osmosis (RO) water desalination: an analysis from first principles // Desalination, 276 (2011) 128-138.

[19] A. Almulla, A. Hamed, M. Gadalla, Integrating hybrid systems with existing thermal desalination plants // Desalination, 174 (2) (2005) 171-192.

[20] O. Hamed, Overview of hybrid desalination systems-current status and future prospects // Desalination, 186 (1-3) (2005) 207-214.

[21] E. Cardona, A. Piacentino, F. Marchese, Performance evaluation of CHP hybrid seawater desalination plants // Desalination, 205 (1-3) (2007) 1-14.

[22] A. Messineo, F. Marchese, Performance evaluation of hybrid RO/MEE systems powered by a WTE plant // Desalination, 229 (1-3) (2008) 82-93.

[23] G. Iaquaniello, A. Salladini, A. Mari, A.A. Mabrouk, H.E.S. Fath, Concentrating solar power (CSP) system integrated with MED-RO hybrid desalination // Desalination, 336 (2014) 121-128.

[24] S. Loutatidou, H.A. Arafat, Techno-economic analysis of MED and RO desalination powered by low-enthalpy geothermal energy // Desalination, 365 (2015) 277-292.

[25] W. Shaorong, Z. Zuoyi, An approach to improve the economy of desalination plants with a nuclear heating reactor by coupling with hybrid technologies // Desalination, 155 (2003) 179-185.

[26] B.M. Misra, Seawater desalination using nuclear heat/electricity - prospects and challenges // Desalination, 205 (2007) 269-278.

[27] R. Thibaut, U. Javier, S. Luis, Simulation and thermo economic analysis of different configurations of gas turbine (GT)-based dual-purpose power and desalination plants (DPPDP) and hybrid plants (HP) // Energy, 32 (2007) 1012-1023.

[28] F. Mahbub, M.N.A. Hawlader, A.S. Mujumdar, Combined water and power plant (CWPP) — a novel desalination technology // Desalin.Water Treat., 5 (2009) 172-177.

[29] G.G. Veera, N. Nagamany, D. Shuguang, Renewable and sustainable approaches for desalination // Renew. Sust. Energ. Rev., 14 (2010) 2641-2654.

[30] M. Toufic, F. Hassan, A. Zeina, K. Arslan, Techno-economic assessment and environmental impacts of desalination technologies // Desalination, 266 (2011) 263-273.

[31] P. Patricia, Z. Guillermo, A. Diego, B. Julián, Simulation and evaluation of the coupling of desalination units to parabolic-trough solar power plants in the Mediterranean region // Desalination, 281 (2011) 379-387.

[32] P. Patricia, Z. Guillermo, C.A. Diego, B. Julián, Evaluation of cooling technologies of concentrated solar power plants and their combination with desalination in the Mediterranean area // Appl. Therm. Eng., 50 (2013) 1514-1521.

[33] A.Muginstein, Y. Cohen, L. Levin, S. Frant, Production of desalinated water and electricity in a dual purpose plant operating in a dispatchable electricity system: technoeconomic analysis // Desalination, 156 (1-3) (2003) 361-366.

[34] A. Abdulaziz, O. Jamel, A. Zeyad, Performance analysis of a gas turbine unit combined with MED-TVC and RO desalination systems // Desalin. Water Treat., 1-8 (2014).

[35] M. Adam, W. David, H.B. John, V. H.L., F.G. Ahmed, Design of a hybrid RO-MED solar desalination system for treating agricultural drainage water in California // The International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse, San Diego, CA, USA, 2015.

[36] Ministry of Power. Energy balance 2011. Tehran, Iran; 2013.

[37] Ministry of Power. Energy balance 2010. Tehran, Iran; 2012.

[38] Y. Gudarzi, B. Varmazyari, S. Moshtaridoust, Energy Consumption in Iran: Past Trends and Future Directions // Procedia - Social and Behavioral Sciences, 62 (2012) 1217.

[39] A.H. Ghorashi, A. Rahimi, Renewable and non-renewable energy status in Iran: Art of know-how and technology-gaps // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (1) (2011) 729-736.

[40] B. Ghobadian, G. Najafi, H. Rahimi, TF. Yusaf, Future of renewable energies in Iran // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (3) (2009) 689-695.

[41] A.H. Ghorashi, S.S. Murthy, Field studies and transient analysis related to wind electric systems // In: Proc. IEEE International conference on power electronics, drives & energy systems for industrial growth, New Delhi, Jan., (1996) 271.

[42] Y. Noorollahi, H. Yousefi, R. Itoi, S. Ehara, Geothermal energy resources and development in Iran // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (5) (2009) 11271132.

[43] A.H. Ghorashi, Prospects of nuclear power plants for sustainable energy development in Islamic Republic of Iran // Energy Policy, 35 (2007) 1643-1647.

[44] K. Tokimatsu, J. Fujino, S. Konishi, Y. Ogawa, K. Yamaji, Role of nuclear fusion in future energy systems and the environment under future uncertainties // Energy Policy, 31 (2003) 775-797.

[45] Our common future. Oxford: Oxford University Press. (1987).

[46] A. Naeimi, V.A. Rassokhin, Numerical simulation and feasibility study of thermal desalination plants // Scientific and technical statements SPbSTU, 4 (207) (2014) 71-80.

[47] YM. El-Sayed, The thermoeconomics of energy conversion. California, USA: Elsevier; (2003).

[48] R.E. Sontag, C. Borgnakke and G.J. Van Wylen, Fundamentals of Thermodynamics, 6th ed., Wiley, New York, 2003.

[49] N. Kahraman and Y.A. Cengel, Exergy analysis of a MSF distillation plant // Energy Con. Manage., 46 (2005) 2625-2636.

[50] R. Chang, Chemistry, 5th ed., McGraw Hill, New York, 1994.

[51] H. El-Dessouky and T. Hisham, Fundamentals of Salty Water Desalination, Elsevier, Amsterdam, 2002.

[52] M. K. Wittholz, B. K. O'Neill, C. B. Colby, D. Lewis, Estimating the cost of desalination plants using a cost database // Desalination 229 (1-3) (2008) 10-20.

[53] M. Jonsson and J. Yan, Humidified gas turbines—a review of proposed and implemented cycles // Energy, 30 (2005) 1013-1078.

[54] A. Poullikkas, An overview of current and future sustainable gas turbine technologies // Renewable Sustainable Energy Rev., 9 (2005) 409-443.

[55] A. Husain, Integrated Power and Desalination Plants, Eolss, Oxford, UK, 2003.

[56] A.M. El-Nashar, Cogeneration for power and desalination—state of the art review // Desalination, 134 (2001) 7-28.

[57] A.M. Helal, A.M. El-Nasher, E. Al-Katheeri and S. Al-Malek, Optimal design of hybrid RO/MSF desalination plants: Part 1 — Modeling and algorithms // Desalination, 154 (2003) 43-66.

[58] M.A. Darwish and N. Al Najem, Co-generation power desalting plants: a new outlook with gas turbine // Desalination, 161 (2004) 1-12.

[59] T. Szacsvay and M. Posnansky, Distillation desalination systems powered by waste heat from combined cycle power generation units // Desalination, 136 (2001) 133-140.

[60] M.A.Darwish, F. Al Asfour and N. Al-Najem, Energy consumption in equivalent work by different desalting methods: case study for Kuwait // Desalination, 152 (2002) 83-92.

[61] N.H. Afgan, M. Darwish and G. Garvalho, Sustainability assessment of desalination plants for water production // Desalination, 124 (1999) 19-31.

[62] R.G. Raluy, L. Serra, J. Uche and A. Valero, Lifecycle assessment of desalination technologies integrated with energy production systems // Desalination, 167 (2004) 445458.

[63] V. Dvornikov, Seawater multi-effect distillation energized by a combustion turbine // Desalination, 127 (2000) 261-269.

[64] M.A. Darwish and A. Alsairafi, Technical comparison between TVC/MED and MSF // Desalination, 170 (2004) 223-239.

[65] G. Kronenberg and F. Kokiec, Low-temperature distillation processes in single- and dual-purpose plants // Desalination, 136 (2001) 189-197.

[66] Economic and Social Commission for Western Asia, Water desalination technologies in the ESCWA member countries, United Nations Publication, New York, 2001.

[67] http://www.fchart.com/ees/ees.shtml/.

[68] R. Power, Steam Jet Ejector for the Process Industries, McGraw Hill, New York, 1994.

[69] F.N. Alafour, M.A. Darwish and A.O. Bin Amer, Thermal analysis of METVC+MEE desalination systems // Desalination, 174 (2005) 39-57.

[70] M. A. Darwish and H. El-Dessouky, The heat recovery thermal vapour-compression desalination system: a comparison with other processes // Appl. Thermal Eng., 16 (1996) 523-537.

[71] T. Michels, Recent achievements of low temperature multiple effect desalination in the western area of Abu Dhabi, UAE // Desalination, 93 (1993) 111-118.

[72] http://www.aspentech.com/.

[73] I.G. Rice, Steam-injected gas turbine analysis: Part I — Steam rates; Part II — Steam cycle efficiency; Part III — Steam regenerated heat // ASME Paper No. 93-GT-132; 93-GT-420; 93-GT-420.

[74] P. Chiesa, G. Lozza and S. Consonni, An assessment of the thermodynamic performance of mixed gas-steam cycles, Part A: Intercooled and steaminjected cycle; part B: Water-injected and HAT cycles // ASME J. Eng. Gas Turbine Power, 117 (1995) 489498; 499-508.

[75] M.A. Bartlett and M.O. Westermark, A study of humidified gas turbine for short-term realization in midsized power generation. Part I: Nonintercooled cycle analysis // AMSE J. Eng. Gas Turbine Power, 127 (2005) 91-99.