Повышение эффективности работы энергогенерирующей установки на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса за счет использования энергии возобновляемых источников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Колосов, Антон Михайлович

• Колосов, Антон Михайлович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колосов, Антон Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ, ОТНОСЯЩИХСЯ К РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ ТЕМЕ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Детандер-генераторные агрегаты.

1.2 Разработка схем новых бестопливных установок для производства электроэнергии на базе детандер-генераторных агрегатов и возобновляемых источников энергии.

1.3 Усовершенствованные бестопливные установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса.

1.4 Виды установок на базе возобновляемых источников энергии для подвода дополнительной теплоты в бестопливных ДГА.

1.5 Постановка цели и задач исследования.

2 МОДЕРНИЗАЦИЯ СХЕМЫ. ПОЛУЧЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ УСТАНОВКИ.

2.1 Модернизация схемы установки.

2.2 Получение аналитичских зависимостей для определения доли электрической энергии, отдаваемой в электрическую сеть.

2.2.1 Выбор критеория оценки эффективности.

2.2.2 Постановка задачи.

2.2.3 Разработка математических моделей.

2.2.3.1 I случай — энтальпии газа до и после детандера равны.

2.2.3.2 II случай - энтальпии газа до и после детандера различаются.

2.2.2.3 III случай - энтальпии газа до и после детандера различаются, имеется дополнительный подвод тепла к газу до теплового насоса.

2.3 Анализ выведенной аналитической зависимости.

2.3.1 Анализ пределов изменения переменных.

2.3.2 Анализ формулы для случая с равными энтальпиями газа на входе в установку и после детандера.:.

2.3.3 Анализ формулы для случая с равными энтальпиями газа на входе в установку и после детандера и дополнительным подводом тепла к газу до теплового насоса.

2.4 Анализ полученных зависимостей на примере конкретной установки.

2.4.1 Подогрев за счет энергии солнечной установки отсутствует

2.4.2 Подогрев антифриза в контуре низкопотенциального источника за счет энергии солнечной установки.

2.4.3 Подогрев газа до конденсатора теплового насоса.

2.4.4 Выводы.

3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДОЛОГИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1 Экспериментальная установка.

3.2 Условия, принятые при разработке методологии проведения экспериментальных исследований.

3.3 Особенности проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

4.1 Краткое описание экспериментов.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

5.1 Статистическая обработка экспериментов.

5.2 Обработка результатов экспериментов.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы энергогенерирующей установки на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса за счет использования энергии возобновляемых источников»

В современных условиях рациональное использование топливно-энергетических ресурсов становится одним из важнейших направлений в развитии промышленности России.

В настоящее время наблюдается постепенное истощение запасов, усложнение добычи и увеличение стоимости природного органического топлива. Вновь открываемые месторождения требуют больших затрат на их освоение и прокладку магистралей для транспорта топлива. Рост потребления и усложнение добычи приводят к росту цен на топливо, что в итоге приводит к повышению цен на товары и услуги и общему замедлению темпов экономического роста и снижению жизненного уровня.

Доля возобновляемых источников энергии в общем количестве вырабатываемой энергии не превосходит 10 % и они не смогут существенно изменить общую ситуацию с потреблением топлива.

Усложняется экологическая, ситуации, связанная с увеличением выбросов токсичных и канцерогенных продуктов сгорания, а также веществ, разрушающих озоновый слой атмосферы. Существующие методы очистки не могут полностью избавить от негативных последствий выбросов. Значительный вред окружающей среде наносится не только при сжигании топлива, но и при его добыче, обработке, транспортировке, захоронении его отходов.

Для России особенно актуальны следующие проблемы:

1. Затраты топлива на обеспечение населения теплом и на выпуск продукции в России наиболее высоки как по технологическим причинам, так и по климатическим условиям. Большими непроизводительными затратами энергии сопровождается транспортировка теплоносителей по тепловым сетям.

2. По сравнению со странами западной Европы и Америки энергетические ресурсы используются недостаточно эффективно. По различным оценкам доля энергии, которую можно сэкономить, составляет от 30 до 40% топливно-энергетического баланса страны.

3. Месторождения топлива в России сосредоточены в отдаленных и труднодоступных местах (Западная Сибирь, Заполярье). В результате затраты на добычу топлива, его транспортировку, на освоение новых месторождений выше, чем в других нефтедобывающих странах.

4. Старение и уменьшение эффективности энергетического оборудования. Недостаток средств на строительство новых энергетических объектов.

Повышение эффективности использования энергии на всех этапах от добычи первичных энергоресурсов до их реализации в промышленных технологиях является приоритетным направлением развития энергетики и закреплено на законодательном уровне:

1. Федеральный* закон № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической, эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" от 23 ноября 2009 года определяет основные требования к энергетической эффективности предприятий, организаций, в т.ч. бюджетных и осуществляющих регулируемые виды деятельности, требования в отношении отдельных видов товаров и оборудования, зданий, в т.ч. многоквартирных домов, определяет условия энергосервисных контрактов, правила создания и функционирования саморегулируемых организаций энергоаудиторов, вводит штрафы за невыполнение отдельных требований и нормативов энергоэффективности.

2. Распоряжение Правительства РФ от 01.12.2009 N 1830-р "Об утверждении плана мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации" определяет перечень мероприятий, нормативных актов, принимаемых министерствами и j ведомствами, а также сроки принятия данных актов во исполнение ФЗ-261 "Об энергосбережении."

Сегодня энергоэффективность и энергосбережение входят в 5 стратегических направлений приоритетного технологического развития, названных Президентом РФ на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики.России, которая состоялась. 18 июня 2009 года.

Эта тема была продолжена Президентом на расширенном заседании президиума Госсовета 2 июля 2009 года в Архангельске. Среди« основных проблем, обозначенных Президентом; — низкая энергоэффективность во всех сферах, особенно в бюджетном секторе, ЖКХ, влияние цен энергоносителей на себестоимость продукции и ее конкурентоспособность.

Одна из важнейших стратегических задач страны, поставленной Президентом (Указ № 889 от 4 июня 2008 года «О некоторых мерах по повыг шению энергетической и экологической эффективности российской экономики») - снижение энергоемкости отечественной экономики (ВВП) на 40% к 2020 году.

Одной из наиболее перспективных энергосберегающих технологий на современном' этапе развития науки и техники является детандер-генераторная технология. Исследования в этой области знаний ведутся достаточно давно, однако и на сегодняшний день существуют как технологические, так и научные проблемы, требующие решения. В первую очередь это относится к создаваемым на базе детандер-генераторных агрегатов (ДГА) и теплонасосных установок (ТНУ) бестопливным установкам для генерации различных видов энергии. В первую очередь - электроэнергии.

В настоящей работе проведено исследование возможностей применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для повышения показателей эффективности бестопливной установки на базе ДГА и ТНУ.

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Колосов, Антон Михайлович

Выводы по диссертации

1. Проведен анализ схемы бестопливной энергогенерирую щей установки на базе детандер-генераторного агрегата и теплонасосной установки. Предложены варианты ее модернизации посредством добавления дополнительных теплообменных аппаратов, передающих энергию рабочему телу от возобновляемых источников энергии (солнечная энерго-генерирующая установка).

2. Показано, что при анализе работы бестопливных энергогенерирующих установок на базе ДГА, ТНУ и ВИЭ в качестве критерия эффективности работы следует применять отдаваемую в сеть долю электроэнергии, выработанной ДГА„ зависящую от параметров работы установки.

3. Аналитическим путём получены функциональные зависимости влияния параметров процессов на эффективность установки, а также рабочего тела для различных режимов ее работы.

4. Разработана методология проведения экспериментальных исследований.

5. Проведены экспериментальные исследования для схем, имитирующих подвод тепла в различных точках установки. Исследованы различные режимы работы установки, проведены повторные серии, для подтверждения чистоты эксперимента.

6. Проведена статистическая обработка результатов экспериментальных исследований. Показано, что погрешность определения коэффициента к, учитывающего необратимость процессов, составляет около 7%.

7. Разработаны рекомендации, направленные на повышение термодинамической эффективности использования ВИЭ. Показано, что теплоту эффективнее подводить к газу до теплового насоса, чем к хладагенту в контуре низкопотенциального источника теплоты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колосов, Антон Михайлович, 2011 год

1. Обзор докладов на заседании криогенного общества США // Холодильная техника. 1992.- №2.

2. Berge W., Zahner С. Erdgas-Entspannungsturbine Goeppingen // Gas-Erdgas gwf (BRD).-132(1991). Nr.7. S.302-304.

3. Cronin P. The application of turboexpanders for energy conservation // Материалы фирмы Rotoflow Corporation, США, 1999.

4. Huenning R., Hube W., Rickenberg R. Projektierung eine Expansionsanlage fuer die Stadatwerke Guetersloh // Gas-Erdgas gwf (BRD). -132(1991).-Nr.9.-S.433-437.

5. L 'installatore technico.-1990.-Anno 4.-№1.-Р.18-32. Ит.

6. Martel U., Brogli A. Technische Beschreibung einer Gasexpansionsanlage // Gas-Erdgas gwf (BRD). -136(1995). —Nr.ll. -S.601-609.

7. Recovering energy in gas pressure réduction. Truston Albert. Conti*, and instrum.-1991. -23.-№5.-P.115. Англ.

8. Seddig H., Friege G. Stromerzeugung über Gasentspannung im Energiezentrum der Stadtwerke Lübeck// Gas-Erdgas gwf. 130 (1989), Nr. 10/11, S. 622/629.

9. Welzel B. Stand der Entwicklung einer einfach regelbaren Axial Wasserturbine zum Einsatz als Entspannungsturbine in Rohrleitungssystemen // VDI-Berichte.-1994.-1141 .-S.49-60.

10. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального ти-па.-М.: Изд-во МВТУ им Н.И.Баумана, 1998.

11. З.Епифанова В.И. Низкотемпературные радиальные турбодетандеры. М.: Машиностроение, 1974.

12. Надстройка Сургутской ГРЭС газопроточными турбинами / Э.К.Аракелян, В.А. Макарчьян, С.А.Голованов и др. // Теплоэнергетика.-1988.-№8. —С.45^8.

13. Влияние детандер-генераторного агрегата на тепловую экономичностьТЭЦ / В.С.Агабабов, А.В.Корягин, Э.К.Аракелян, Ю.Л.Гуськов и др.// Электрические станции,-1997.-Спец.выпуск.-С.77-82.

14. Гуськов Ю.Л. Повышение эффективности работы ТЭЦ на основе внедрения детандер-генераторных агрегатов: Автореферат дис. . канд. техн. наук. -М., 1997. -19с.

15. Использование детандер-генераторных агрегатов в промышленности / В.С.Агабабов, Корягин A.B. Титов B.J1. Хаймер Ю.Ю. // Науч.-техн. конф. "Инженерная экология XXI век»: Тез. докл. -М., 2000. -С.133-134.

16. Мальханов В.П., Степанец A.A., Шпак В.Н. Детандер-генераторные агрегаты, разрабатываемые АО «Криокор» для утилизации избыточного давления природного газа // Химическое и нефтяное машиностроение. —1977. —№4.

17. Опытно-промышленная эксплуатация турбодетандерной установки / В.П.Мальханов, М.А.Петухов, В.А.Лопатин и др. // Газовая промышленность. — 1994. -№1.

18. Степанец A.A., Горюнов И.Т., Гуськов Ю.Л. Энергосберегающие комплексы, основанные на использовании перепада давления на газопроводах // Теплоэпергети-ка.-1995.-№6. -С.33-35.

19. Степанец A.A. Об эффективности детандер-генераторных агрегатов в тепловой схеме ТЭЦ // Энергетик.-1999. -№4.

20. Степанец A.A. Энергосберегающие турбодетандерные установки / Под ред.

21. A.Д.Трухния. М.: ООО «Недра - Бизнес центр». -1999.- 258с.

22. Твердохлебов В.И., Мальханов В.П. Утилизационные установки для ГРС и КС // Газовая промышленность.-1985.-№7.

23. Трухний А.Д. Термодинамические основы использования утилизационных турбо-детандерных установок // Вестник МЭИ. -1999. -№5. -С.10-14.

24. Утилизационная газотурбинная установка ТГУ-11 / Г.В.Проскуряков,

25. B.Н.Горшков, В.Е.Авербух и др. // Тяжелое машиностроение. -1991. -№4.

26. Шпак В.Н. Разработки АО «Криокор» в области малой энергетики на базе газовых технологий // Газовая промышленность. -1997. —№5.

27. Агабабов B.C., Корягин A.B. Определение энергетической эффективности использования детандер-генераторного агрегата в системах газоснабжения // Теплоэнергетика. 2002. -№12. - с.35-38.

28. Агабабов B.C. Основные особенности применения детандер-генераторных агрегатов на ТЭЦ // Энергосбережение и водоподготовка. -2002. —№3. -С.27-29.

29. Агабабов B.C., Корягин A.B., Титов B.JT., Михайлов H.A. О подогреве газа в детандер-генераторных агрегатах// Энергосбережение и водоподготовка. — 2001. -№ 1. -с.38-42.

30. Агабабов B.C. Оценка эффективности использования детандер-генераторных агрегатов для получения электроэнергии.// Энергосбережение и водоподготовка. -2001. -№2. -с.13-15.

31. Агабабов B.C., Аракелян Э.К., Корягин A.B. Изменение удельного расхода топлива на электростанции конденсационного типа при включении в ее тепловую схему детандер-генераторного агрегата // Изв. Вузов. Проблемы энергетики. —2000. —№ 3-4. С.42-47.

32. Сравнение различных способов подогрева газа в детандер-генераторных агрегатах на ТЭЦ / В.С.Агабабов, Е.В.Джураева, А.В.Корягин и др. // Вестник МЭИ 2003.-№5 .-С. 101-103.

33. Подогрев газа в детандер-генераторном агрегате на ТЭС за счет высокопотенциальных вторичных энергетических ресурсов / В.С.Агабабов, А.В Корягин., ЮА Карасев., Е.В.Джураева // Труды международной конференции «СИИТ '03». -С.318-325.

34. Агабабов B.C., Хаймер Ю.Ю, Утенков В.Ф.,. Получение экологически чистой электроэнергии при утилизации энергии давления транспортируемого природного газа.// Энергосбережение и водоподготовка. -1999. -№4. -С.7-10.

35. Агабабов B.C. Способ работы детандерной установки и устройство для его осуществления // Патент на изобретение № 2150641. Россия. Бюл. № 16. 10.06.2000 г. Приоритет от 15.06.99.

36. Детандер-генераторная установка / Ю.М. Архаров, А.Ю. Архарова, В.С.Агабабов,

37. A.В.Корягин // Патент на пол. мод. №39937 РФ, МПК 7 F 25 В 11/02, F 01К 27/00 по заявке №2004110563/22 от 08.04.2004 Опубл. 20.08.2004 Бюлл. №1

38. Детандер-генераторная установка / Ю.М. Архаров, А.Ю. Архарова,

39. B.С.Агабабов, А.В.Корягин // Патент на пол. мод. №43345 РФ, МПК 7 F 25 В 11/02 по заявке №2004128211/22 от 29.09.2004 Опубл. 10.01.2005 Бюл. №1.

40. Агабабов B.C. О применении детандер-генераторных агрегатов в газовой промышленности // Сборник "Энергосбережение на объектах ОАО "Газпром".—2000.1. C. 18-23.

41. Мальханов В.П. Об утилизационной турбодетандерной установке УТДУ-2500 // Энергосбережение и водоподготовка 2002. —№4. -С.45—47.

42. Мальханов В.П. Турбодетандерные агрегаты в системах подготовки и распределения природного газа.// М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти Иггаза им. И.М. Губкина-2004.-228 с.

43. Сравнительный анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежного и отечественного производства. Новые технические решения / О.С.Попель, С.Е.Фрид, В.Н. Щеглов // Теплоэнергетика.- №3. 2006. -С. 11-15.

44. Рекомендации по стандартизации Минтопэнерго РФ. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика./М.: Издательство стандартов. 1994. —80с.

45. Оборудование возобновляемой и малой энергетики. Справочник-каталог под ред.

46. П.П./Безруких М.: ЗАО НТЦ ВИЭН, ООО ИД «ЭНЕРГИЯ», 2005. -268с. 46.Агабабов B.C., Зенкина У.И, Колосов A.M. Детандер-генераторная установка / Патент на полезную модель № 75880. Россия. Бюл. № 24. 27.08.2008 г. Приоритет от 10.04.2008.

47. Агабабов B.C., Корягин A.B. Детандер-генераторные агрегаты на тепловых электрических станциях. Учебное пособие по курсу «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях» / М:, Изд-во МЭИ, 2005, 48 с.

48. Савчук В.П. Обработка результатов измерений. Физическая лаборатория. 41 Учеб. пособие для студентов вузов. — Одесса: ОНПУ, 2002. — 54 с. ил.

49. Яворский В.А. Планирование научного эксперимента и обработка экспериментальных данных Методические указания к лабораторным работам. Москва 2006. 45 с.

50. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Москва, Энергоиздат 1981

51. Агабабов B.C., Зенкина У.И., Колосов A.M. Зависимость для определения эффективности работы бестопливной установки для производства электроэнергии в системе газоснабжения. // Энергосбережение и водоподготовка.-2009.-№2

52. Агабабов B.C., Зенкина У.И., Колосов A.M. К вопросу определения эффективности применения энергосберегающих мероприятий в установках преобразования энергии. // Энергосбережение и водоподготовка-2009. №3

53. Агабабов B.C., Зенкина У.И., Колосов A.M. Оценка эффективности работы бестопливных энергогенерирующих установок для производства электроэнергии в системе газоснабжения. // Вестник МЭИ.-2010.-№2

54. Агабабов B.C., Зенкина У.И., Колосов A.M. Детандер-генераторная установка. // Патент на пол. мод. №75880 RU МПК F25B 11/02, 10.04.2008 Опубл. 27.08.2008 Бюл. №24

55. Агабабов B.C., Колосов A.M. Экспериментальные исследования влияния параметров теплоносителей на работу теплонасосной установки. // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Шестнадцатая

56. Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 480 с.

57. Сынков И.В., Тепель Т., Колосов A.M. Результаты экспериментальных и аналитических исследований влияния параметров теплоносителей на работу. // Тр. Пятой Международной Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение теория и практика».