Повышение эффективности тепловых двигателей с использованием теплонасосных установок при неравномерном графике энергопотребления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Терехов, Дмитрий Владимирович

• Терехов, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Терехов, Дмитрий Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Когенерационные установки на базе тепловых двигателей

1.1. Когенерационные установки на базе тепловых двигателей

без применения тепловых насосов

1.1.1. Определение когенерации

1.1.2. Когенерационные установки на базе ПТУ

1.1.3. Когенерационные установки на базе ГТУ

1.1.4. Когенерационные установки на базе ПТУ

1.1.5. Когенерационные установки на базе ДВС

1.2. Когенерационные установки на базе тепловых двигателей

с применением ТНУ

1.2.1. Обзор типов ТНУ, циклы ТНУ

1.2.2. Потери в ТНУ

1.2.3. Области применения ТНУ

1.2.4. Рабочие агенты парокомпрессионных ТНУ, перспективы применения природных рабочих агентов

1.3. Использование тепловых насосов совместно с тепловыми двигателями

1.4. Суточные и сезонные графики энергопотребления

1.4.1. График электрической нагрузки

1.4.2. График тепловой нагрузки

1.5. Обоснование выбора задач исследования

Выводы по первой главе

Глава 2. Особенности расчета теплонасосных установок и анализ внутренних потерь в ТНУ

2.1. Особенности расчета ТНУ эксергетическим методом

2.2. Потери в поршневом компрессоре

2.3. Работа поршневого компрессора теплового насоса на частичных режимах

Выводы по второй главе

Глава 3. Совместная работа тепловых двигателей с электрогенераторами и компрессорами тепловых насосов

3.1. Нагрузочные характеристики тепловых двигателей

3.2. Характеристики потребителей мощности

3.3. Характеристики дизелей на частичных мощностях

3.4. Характеристики газотурбинных установок на частичных

мощностях

Выводы по третьей главе

Глава 4. Работа тепловых двигателей в схемах энергообеспечения отдельного потребителя

4.1. Обоснование выбора схемы для электро и теплоснабжения отдельного потребителя

4.2. Работа ГТУ в схеме энергообеспечения отдельного потребителя

4.2.1. Работа когенерационной установки на базе ГТУ

в схеме без ТНУ

4.2.2. Работа когенерационной установки на базе ГТУ

в схеме с ТНУ

4.3. Работа дизеля в схеме энергообеспечения отдельного потребителя

4.3.1. Работа когенерационной установки на базе дизельного двигателя в схеме без ТНУ

4.3.2. Работа когенерационной установки на базе дизельного двигателя в схеме с ТНУ

Выводы по четвертой главе

Глава 5. Экспериментальное исследование теплонасосной установки

при работе на частичных режимах

5.1. Описание экспериментального стенда

5.2. Измеряемые параметры

5.3. Определение погрешности измерений

5.4. Методика обработки экспериментальных данных

5.5. Методика проведения испытаний и анализ экспериментальных

данных

Выводы по пятой главе

Выводы по диссертации

Список литературы

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ПТУ - паротурбинная установка; ГТУ - газотурбинная установка; ПТУ - парогазовая установка; КУ - когенерационная установка; ОГ - отработавшие газы; ПК - пиковый котел; ТНУ - теплонасосная установка;

ПТНУ - парокомпрессионная теплонасосная установка; АТНУ - абсорбционная теплонасосная установка; НПИТ - низкопотенциальный источник теплоты; РА - рабочий агент;

КПД - коэффициент полезного действия; КИТ - коэффициент использования топлива; ]\1е - эффективная мощность; г|е- эффективный КПД; \х - коэффициент преобразования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности тепловых двигателей с использованием теплонасосных установок при неравномерном графике энергопотребления»

Введение

Сегодня теплоэнергетика потребляет более 30% добываемого топлива, а вместе с отопительными котельными - более 50%. Абсолютный рост потребления топлива на станциях и непрерывно возрастающая стоимость его добычи определяет необходимость его экономии.

В связи с этим приоритетным является внедрение в Российской Федерации энергосберегающих технологий на промышленных предприятиях и в коммунальном секторе. Проблеме рационального использования энергии уделяется внимание на государственном уровне. Правительством России утвержден проект энергетической стратегии до 2030 г. В 2009 г. принят федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

Российская тепловая энергетика в настоящее время в основном использует для генерации устаревшие паротурбинные энергоблоки, обладающие низким КПД и в значительной степени выработавшие свой ресурс, и остро нуждается в модернизации и наращивании мощностей.

В настоящее время в мире возрос интерес к децентрализованным когенерационным установкам (КУ), позволяющим одновременно из одного источника получать электрическую и тепловую энергию.

В Японии развивается тенденция децентрализации теплофикации на основе ГТУ-ТЭЦ с единичной мощностью от 1 до 10 МВт. Законодательством установлена необходимость оснащения крупных потребителей собственным энергетическим источником кроме подсоединения его к энергосистеме.

Наряду со способами повышения экономичности тепловых двигателей за счёт совершенствования их конструкции и повышения параметров рабочей среды (повышение начальной температуры газа, степени повышения давления в компрессоре и др.), эффективным путем более полного использования энергии сжигаемого топлива является утилизация вторичных

энергоресурсов, образующихся при работе тепловых двигателей, в том числе и теплоты отработавших газов тепловых двигателей.

Диссертационная работа посвящена проблеме повышения эффективности тепловых двигателей для совместного производства электрической и тепловой энергии за счет наиболее полной утилизации их вторичных энергоресурсов, в том числе с применением теплонасосных установок (ТНУ) и выбора оптимальных режимов работы ТД совместно с ТНУ при переменном графике потребления электрической и тепловой мощности.

Также существует проблема оценки эффективности работы тепловых двигателей работающих совместно с тепловыми насосами. Поэтому в работе приведена методика для определения основных параметров ТНУ, работающих в схемах электро и теплоснабжения отдельного потребителя.

Актуальность работы определяется необходимостью перехода от традиционных источников электро- и теплоснабжения (котельных, ТЭС) к новым на базе когенерационных установок (КУ), а также использованию низкопотенциальных источников энергии с помощью теплонасосных установок (ТНУ). В качестве таких установок могут выступать КУ на базе ГТУ и ДВС, работающие совместно с ТНУ.

Модернизация существующих устаревших ТЭЦ за счет теплофикационных ПГУ с высоким КПД выработки электрической энергии приведет к значительной недовыработке тепловой энергии, что неизбежно приведет к изменению стратегии теплоснабжения. Увеличится нагрузка на пиковые водогрейные котлы, что негативно скажется на удельном расходе топлива на выработку теплоты. Одним из целесообразных вариантов выхода из этой проблемы является развитие децентрализованной системы теплоснабжения с применением ТНУ.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Терехов, Дмитрий Владимирович

Выводы по диссертации

1. Разработана методика расчета когенерационных установок с ТНУ, работающих в условиях неравномерного графика энергопотребления, выполнен расчетный анализ совместной работы дизель-генератора и ГТУ с ТНУ.

2. Проведено уточнение методики расчета ТНУ с учетом потерь эксергии в ее элементах. Расчетным путем установлено, что потери эксергии в теплонасосной установке максимальны в компрессоре.

3. Получены зависимости для определения основных параметров поршневого компрессора теплонасосной установки на режимах частичной мощности.

4. При работе на частичных режимах экономичность тепловых двигателей снижается: у ГТУ на 20 - 30 % при уменьшении мощности до 0,3 - 0,4 от номинальной; у дизельного двигателя на 10 - 15 % при уменьшении мощности до 0,2 - 0,3 от номинальной.

5. Расчетным путем показано, что включением ТНУ в схему когенерационных установок с дизелем и ГТУ позволяет существенно увеличить их эффективность в условиях неравномерного графика энергопотребления. Среднесуточный КИТ КУ с дизелем при этом повышается на 24 - 25 % и для КУ с ГТУ - на 16 - 20 %.

6. Работа КУ на базе ТД (дизель, ГТУ) в схемах с ТНУ дает возможность обеспечить максимальный КПД независимо от электрической нагрузки в течение суток.

7. Эксперимент показал, что при работе ТНУ на частичных режимах с уменьшением степени повышения давления (7СК) коэффициент преобразования растает. С увеличением 7ск в 2 раза мощность, затрачиваемая на привод компрессора увеличивается на 25 %.

8. Экспериментальные зависимости р, 1ЧК, 0>тну от %к согласуются с формулами, предложенными в работе и опытными данными других авторов и могут использоваться при расчете теплонасосных установок.

144

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Терехов, Дмитрий Владимирович, 2012 год

Список литературы

1. 100 лет теплофикации и централизованному теплоснабжению в России. Сборник статей под ред. В.Г. Семенова. - М.: Новости теплоснабжения, 2003.

2. GT Orders and Installations. Gas Turbine World: Handbook. 2007-2008.

3. Lambauer. J. Large Scale Industrial Heat Pumps - market analysis, potentials, barriers and Best-Practice examples // 9th International IEA Heat Pump Conference. Zurich, Switzeland. 20-22 May. 2008.

4. Report of Committee Industrial and commercial of gases in USA // 17th world gas congress. Washington D.C. June 5-9. 2008.

5. Распоряжение Правительства Москвы №36-6-РП от 15.01.98 "О долгосрочной программе энергоснабжения в г. Москве".

6. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности".

7. Федеральный закон от 27 июля 2010 г. № 190-ФЗ "О теплоснабжении".

8. Balli О., Aras Н., Hepbasli A. Exergetic performance evaluation of a combined heat and power (CHP) system in Turkey // International journal of energy research. - 2007. - 9(31). - C. 849-866.

9. Benini E. Advances in Gas Turbine Technology: InTech, 2011.

10. Boyce M. P. Gas turbine engineering handbook: Gulf Professional Publishing, 2002.

11. Cohen H., Rogers G. F. C., Saravanamuttoo H. I. H. Gas turbine theory: Longman, 1996.

12. Ghaebi H., Amidpour M., Karimkashi S., Rezayan O. Energy, exergy and thermoeconomic analysis of a combined cooling, heating and power (CCHP) system with gas turbine prime mover // International journal of energy research. - 2011. - 35. - C. 697-709.

13. Horlock J.H. Advanced Gas Turbine Cycles: Elsevier science, 2003.

14. Judes M, Vigerske S., Tsatsaronis G. Optimization of the Design and Partial-Load Operation of Power Plants Using Mixed-Integer Nonlinear Programming // Optimization in thé Energy Industry. - 2009. - C. 193-220.

15. Kanoglu M., Dincer I., Rosen M.A. Exergetic Performance Analysis of Various Cogeneration Systems for Buildings // ASHRAE Transactions. -2007.-(113). -C. 369-375.

16. Masamuthi W. Overall review of Hitachi gas turbines // Hitachi Rev. -1989.-3(38). -C. 135-144.

17. Mohanraj M., Muraleedharan C., Jayaraj S. A review on recent developments in new refrigerant mixtures for vapour compression-based refrigeration, air-conditioning and heat pump units // International journal of energy research. - 2011. - 35. - C. 647-669.

18. Mollenhauer K., Tschoeke H. Handbook of Diesel Engines: Springer, 2010.

19. Razak A. M. Y. Industrial gas turbines. Performance and operability. Cambridge: Woodhead Publishing, 2007.

20. Walsh P.P., Fletcher P. Gas Turbine Performance: Blackwell Science, 2004.

21. Андрющенко А.И. Возможная экономия топлива от использования утилизационных ТНУ в системе энергоснабжения предприятий // Промышленная энергетика. - 2003. - № 2. - С. 7-10.

22. Андрющенко А.И. Сравнительная эффективность применения тепловых насосов для централизованного теплоснабжения // Пром. энергетика. - 1997. - № 6. - С. 2-4.

23. Андрющенко А.И., Новиков Д.В. Эффективность применения тепловых насосов на ГТУ - ТЭЦ // Изв. вузов. Проблемы энергетики. -2004.-№ 11/12. -С. 17-25.

24. Антипов Ю.А., Барский И.А., Шаталов И.К., Белозеров А.Н. Внутренний КПД поршневого компрессора на разных рабочих телах // Компрессорная техника и пневматика. - 2009. - №2. -.

25. Антипов Юрий Александрович Утилизация вторичных энергоресурсов газовых двигателей и газотурбинных установок с использованием

тепловых насосов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.02. Москва, 2005. 135 с.

26. Барский И.А., Шаталов И.К. Расчет характеристик газотурбинных установок. -М.: УДН, 1971.

27. Безлепкин В., Лапутько С. Теплофикационные парогазовые установки для замены устаревшего оборудования ТЭЦ ОАО «Ленэнерго» // Газотурбинные технологии. - 2004. - № 3. - С. 2-6.

28. Богданов А.Б. Котельнизация России - беда национального масштаба // Новости теплоснабжения. - 2006/2007. - №№ 10 - 12/№№ 4,5. -.

29. Богданов А.Б. Фрагменты истории теплофикации России // Новости теплоснабжения. - 2009. - № 6. - С. 23-25.

30. Бродянский В.М. Вечный двигатель - прежде и теперь. От утопии - к науке, от науки - к утопии. - М.: Физматлит, 2001.

31. Бродянский В.М. Эксергетические расчеты технических систем. -Киев: Наукова думка, 1991.

32. Бродянский В.М. Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

33. Бродянский В.М. Энергия и эксергия. - М.: Мир, 1968.

34. Бродянский В.М., Серова E.H. Термодинамические особенности циклов парокомпрессионных тепловых насосов // Холодильная техника. - 1997. - № 7. - С. 28-29.

35. Быков A.B., Калнинь И.М. Холодильные машины и тепловые насосы. Повышение эффективности. М.: Агропромиздат, 1988.

36. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М.: Наука, 1972.

37. Васильев Л.Л. Современное состояние проблемы тепловых насосов и холодильной техники // Инж.-физ. журн. - 2010. - № 4(83). - С. 763778.

38. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. - М.: МЭИ, 1994.

39. Гуреев В.М. Автономный энергокомплекс на базе двигателя внутреннего сгорания и теплового насоса: программа расчета // Холодильная техника. - 2010. - № 6. - С. 42-44.

40. Гуреев В.М. Автономный энергокомплекс на базе двигателя внутреннего сгорания и теплового насоса: экспериментальное исследование // Холодильная техника. - 2010. - № 7. - С. 38^12.

41. Данилов O.JI. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. -М.: МЭИ, 2010.

42. Зысин В.А. Отопительные установки с тепловым насосом. - М., JL: Машгиз, 1947.

43. Казанджан П.К. Теория реактивных двигателей. - М.: ОБОРОНГИЗ, 1955.

44. Калнинь И.М., Жернаков A.C., Шапошников В.А. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование испарителя теплового насоса в составе опреснительной установки // Холодильная техника. - 2009. -№11. - С. 24-29.

45. Калнинь И.М., Легуенко С.К., Проценко В.П. и др. Теплонасосная технология в решении крупномасштабных задач теплофикации с использованием низкопотенциальной теплоты энергоисточников // Энергосбережение и водоподготовка. - 2009. - № 5(61). - С. 25-30.

46. Калнинь И.М., Пустовалов С.Б., Савицкий А.И. Тепловые насосы на диоксиде углерода для систем теплогенерирования // Вестник РАЕН. -2009.-№ 1. -С. 81-86.

47. Калнинь И.М., Савицкий А.И., Пустовалов С.Б. Тепловые насосы нового поколения, использующие экологически безопасные рабочие вещества // Холодильная техника. - 2007. - № 1. - С. 46-50.

48. Калнинь И.М., Фадеков К.Н. Термодинамические циклы холодильных машин и тепловых насосов. Расчет. Оценка эффективности: учеб. пособие. - М.: МГУИЭ, 2006. - 92 с.

49. Карно С. Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу. - М.: Государственное издательство, 1923.

50. Костюк А.Г., Грибин В.Г., Трухний А.Д. Концепция паровых турбин нового поколения для угольной энергетики России. Часть 1. Экономическое и техническое обоснование концепции // Теплоэнергетика. - 2010. - № 12. - С. 23-31.

51. Кривов В.Г., Синатов С.А. Дизельные электростанции с тепловыми насосами // Двигателестроение. - 1989. - №1. -.

52. Лебедев A.C. Парогазовый бум в России нарастает // Газотурбинные технологии. - 2008. - № 10. - С. 6-7.

53. Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. 41. - М.: Высшая школа, 2010.

54. Мартыновский B.C. Тепловые насосы. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1955.- 192 с.

55. Мартыновский B.C. Термодинамические характеристики циклов тепловых и холодильных машин. - М., 1952.

56. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. М.: Энергия, 1979.

57. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / Под ред. В.М. Бродянского. - М.: Энергия, 1979.-285 с.

58. Мацевитый Ю.М., Чиркин Н.Б., Остапчук В.Н. и др. Альтернативная система теплоснабжения на базе теплового насоса с грунтовым теплообменником // Новости теплоснабжения. - 2009. - № 1(101). - С. 26-29.

59. Морозюк Т.В. Модель выбора теплового насоса в составе энергетической установки // Хим. и нефтегазовое машиностроение. -1999.-№3. -С. 30-32.

60. Наумов А.Л. Мини-ТЭЦ - очередной бум или объективная потребность российской энергетики // АВОК. - 2005. - №7. -.

61. Огуречников JI.А., Петин А.Ю. Производство электроэнергии и теплоты на низкопотенциальных тепловых источниках // Промышленная энергетика. - 2010. - №1. -С. 2-8.

62. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. -М.: КолосС, 2008.

63. Поваров O.A. Современные мощные парогазовые установки с КПД 5860 % // Новое в российской энергетике. - 2006. - №9. - С. 42-56.

64. Попов A.B. Анализ эффективности различных типов тепловых насосов // Гл. энергетик. - 2009. - № 9. - С. 43-47.

65. Попов A.B. Новейшие возможности использования тепловых насосов // Промышленная энергетика. - 2010. - №4. - С. 46-50.

66. Портнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. -М.: Машгиз, 1963.

67. Проценко В.П. К обоснованию новой концепции централизованного теплоснабжения // Энергосбережение и водоподготовка. - 1999. - № 1.

- С. 4-20.

68. Проценко В.П. Проблемы использования теплонасосных установок в системах централизованного теплоснабжения // Энергетич. стр-во. -1994.-№2. - С. 29-34.

69. Проценко В.П. Тепловые насосы в капиталистических странах. Современное состояние и направления развития (по материалам XIII мировой энергетической конференции) // Теплоэнергетика. - 1988. -№3. -С. 18-22.

70. Проценко В.П. Теплофикационно-теплонасосные комплексы для теплоснабжения городов // Пробл. энергосбережения. - 2005. - № 1-2.

- С. 2-9.

71. Проценко В.П., Горшков В.Г., Осипович C.B. Об опыте использования тепловых насосов в Чувашской Республике // Новости теплоснабжения.

- 2003. -№ 1. - С. 42-46.

72. Проценко В.П., Петров С.И., Ларкин Д.К. Анализ энергетической эффективности комбинированного источника теплоснабжения с теплонасосной установкой // Изв. вузов. Энергетика. - 1991. - № 7. -С. 81-87.

73. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоиздат, 1982.

74. Розенфельд JIM., Ткачев А.Г. Холодильные машины и аппараты. - М.: Гос. изд. торговой литературы, 1955. - 580 с.

75. Салихов A.A. Комбинированной выработке тепловой и электрической энергии - зелёный свет! // Энергетик. - 2003. - №2. - С. 10-14.

76. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Энергоиздат.

77. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоиздат, 1981. - 320 с.

78. Степанов Г.Ю. Основы теории лопаточных машин. - М.: Оборонгиз, 1958.

79. Суслов A.B. О востребованности, работоспособности и окупаемости воздушных тепловых насосов в условиях России // Холодильная техника. - 2009. - № 12. - С. 8-13.

80. Суслов A.B. Проблемы маркетинга воздушных тепловых насосов в России // Холодильная техника. - 2010. - № 7. - С. 43-48.

81. Трухний А.Д. Основы современной энергетики. - М.: МЭИ, 2001. - 350 с.

82. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

83. Фаворский О.Н. Отечественные газовые турбины XXI века // Академия энергетики. - 2010. - № 1(33). -.

84. Фаворский О.Н. Выбор тепловой схемы и профиля отечественной мощной энергетической ГТУ нового поколения и ПГУ на ее основе // Теплоэнергетика. - 2010. - № 10. - С. 2-6.

85

86

87

88

89

90

91

92,

93

94,

95

96

97

98,

Хайнрик Г., Найрок X., Нестер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения: перевод с нем. //Под ред. Явнеля Б.К. - М.: Стройиздат, 1985.

Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. -М.: Машиностроение, 1970.

Цанев C.B., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов. //Под ред. C.B. Цанева. - М.: МЭИ, 2002. - 584 с.

Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Хладагенты и климатические мифологемы // Холодильная техника. - 2009. - № 2. - С. 56-59. Шаталов И.К. Расширение диапазона работы нагнетателей компрессорных станций // Газовая промышленность. - 2009. - №12. -. Шаталов И.К. Теплонасосные установки с приводом от тепловых двигателей. М.: РУДН, 2009.

Шаталов И.К. Теплонасосные установки с приводом от тепловых двигателей. - М.: РУДН, 2009. - 93 с.

Шаталов И.К., Барский И. А. Регулировочные характеристики газотурбинных установок, схемы и определение основных параметров ПГУ. -М.:РУДН, 2003.

Шаталов И.К., Лобан М.В. Расчет теплонасосной установки: метод, рекомендации по курсовому проектированию. -М.: РУДН, 2005. Шишкин А.Н. О проекте федерального закона "О теплоснабжении" // Новости теплоснабжения. - 2010. - № 6. - С. 20-23. Шнайдер X. Доклад на Общероссийском совещании по проблемам теплоснабжения // Новости теплоснабжения. - 2003. - № 7. - С. 18-19. Щегляев A.B. Паровые турбины. - М.: Энергоиздат, 1993. - 417 с. Яковлев В.М. Математическая обработка результатов исследований. -М.: Физматиздат, 1988.

Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989. 125 с.