Повышение энергетической эффективности детандер-генераторных агрегатов за счет применения ветроэнергетической установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Костюченко, Павел Анатольевич

• Костюченко, Павел Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Костюченко, Павел Анатольевич

Обозначения и сокращения.

Введение.

1 АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Детандер-генераторные агрегаты.

1.1.1 Традиционные ДГА.

1.1.2 Бестопливные детандер-генераторные установки.

1.1.2.1 Установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и теплового насоса.

1.1.2.2 Установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и воздушного теплового насоса.

1.2 Ветроэнергетические установки.

1.2.1 Общие сведения о ветровой энергии.

1.2.2 Основные типы ветроэнергетических установок.

1.2.3 Режимы работы ветроэлектрических установок автономного применения.

1.2.4 Расчет ветроэнергетической установки.

1.3 Аккумуляторы теплоты.

1.4 Постановка цели и задач исследования.

2 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ БЕСТОПЛИВНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ

ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ТЕПЛОТЫ И ХОЛОДА НА БАЗЕ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА, ТЕПЛОВОГО НАСОСА И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ. ВЫБОР КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ УСТАНОВКИ

2.1 Разработка схемы бестопливной установки.

2.1.1 Схема усовершенствованной бестопливной детандер-генераторной установки с дополнительными теплообменниками.

2.1.2 Принципиальная схема бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и ветроэнергетической установки

2.2 Выбор критериев оценки эффективности работы установки.

2.2.1 Электрическая мощность, вырабатываемая ДГА.

2.2.2 Доля выработанной ДГА электрической мощности, отдаваемая потребителю.

2.2.3 Эксергетический КПД установки.

2.2.4 Эффективность использования теплоты, подведенной к установке.

2.2.5 Технико-экономические показатели установки.

2.2.6 Выбор критерия оценки эффективности установок для проведения исследований.48'

3 АНАЛИЗ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ПРИ ПОДВОДЕ ТЕПЛОТЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА.

3.1 Анализ работы установки при подводе теплоты возобновляемого источника энергии в теплообменнике подогрева газа после конденсатора

3.1.1 Режим без регенеративного подогрева газа перед конденсатором ТНУ

3.1.2 Режим с регенеративным подогревом газа перед конденсатором ТНУ

3.2 Разработка математической модели.

3.3 Разработка алгоритмов расчета.

3.3.1 Режим без регенерации теплоты газа после детандера.

3.3.2 Режим с регенерацией теплоты газа после детандера.

4 ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОТЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ И ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ УСТАНОВКИ БЕЗ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ГАЗА ПОСЛЕ ДЕТАНДЕРА.

4.1 Результаты расчета.

4.1.1 Газорегуляторные пункты.

4.1.2 Газораспределительные станции.

4.2 Анализ полученных результатов.

4.2.1 Влияние температуры газа после конденсатора ТНУ.

4.2.2 Влияние тепла, подводимого от ВЭУ.

5 ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОТЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ И ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ УСТАНОВКИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ ГАЗА ПОСЛЕ ДЕТАНДЕРА.

5.1 Результаты расчета.

5.1.1 Газорегуляторные пункты.

5.1.2 Газораспределительные станции. 5.2 Анализ полученных результатов.

5.2.1 Влияние температуры газа после конденсатора ТНУ.

5.2.2 Влияние тепла, подводимого от ВЭУ.

6 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ УСТАНОВОК БЕЗ РЕГЕНЕРАЦИИ И С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ ГАЗА ПОСЛЕ ДЕТАНДЕРА.

6.1 Доля электроэнергии, отдаваемой в сеть.

6.2 Полезная электрическая мощность установки.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности детандер-генераторных агрегатов за счет применения ветроэнергетической установки»

Энергосбережению в промышленности и жилищно-коммунальном комплексе уделяется значительное внимание. Проблема энергосбережения, являясь одной из важнейших во всех развитых странах, приобретает особую остроту в России, где климат один из самых суровых, энергоресурсы дорожают и используются крайне неэффективно. На решение этой проблемы направлены усилия государства. Так, принятый в конце 2009 года Федеральный закон №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты российской федерации» определяет направления деятельности всех государственных и негосударственных структур в этой области.

Энергосбережение является существенным резервом повышения эффективности производства не только при потреблении, но также и при генерации различных видов энергии. К ним относятся, в первую очередь, электроэнергия, теплота, а также и холод. В мировой энергетике подавляющее количество электроэнергии и теплоты производят на установках, использующих для работы энергию, выделяющуюся при сжигании органического топлива. За последние годы в большинстве промышленно развитых стран созданы и внедрены достаточно совершенные установки для преобразования энергии органического топлива в электрическую энергию и теплоту. Дальнейшее повышение технико-экономических показателей таких установок требует поиска новых, нетрадиционных методов, применение которых позволило бы существенно повысить технико-экономические показатели работы энергетического оборудования и одновременно улучшить его экологические показатели.

Одной из возможностей решения этой проблемы на промышленных предприятиях, использующих в качестве топлива природный газ, является применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА), принцип действия которых основан на использовании технологического перепада давления транспортируемого природного газа.

Мировая энергетика уже около 40 лет использует технологические перепады давления транспортируемого природного газа. Начиная с 70-х годов прошлого столетия, на ряде газораспределительных станций и газорегуляторных пунктов промышленных предприятий Западной Европы, США, а также других стран, стали успешно использоваться установки, цель которых — использование избыточного давления транспортируемого природного газа для получения электрической энергии. Эти установки получили название детандер-генераторные агрегаты. На сегодняшний день известны более 200 установок, использующих детандер-генераторную технологию для производства, в основном, электроэнергии. Необходимо отметить, что практически все существующие установки для обеспечения своей работы требуют сжигания топлива, что, даже при исключительно высокой их энергетической эффективности, тем не менее, приводит к загрязнению окружающей среды.

Появившиеся в последнее время технические решения в области детандер-генераторной технологии позволили разработать схемы бестопливных детандер-генераторных установок. В установках такого типа для обеспечения работы используется низкопотенциальное тепло окружающей среды или вторичных энергетических ресурсов. В то же время, полезная мощность таких установок при прочих равных условиях оказывается меньше, чем мощность аналогичных установок, использующих энергию, выделяющуюся при сжигании топлива. Это связано с тем, что от 20 до 50 % от произведенной ДГА электроэнергии в таких устройствах расходуется на обеспечение работы теплонасосной установки, являющейся их составной частью.

Одним из возможных направлений повышения эффективности работы бестопливных энергогенерирующих установок на базе детандер-генераторных агрегатов и тепловых насосов является использования энергии возобновляемых источников, в частности энергии ветра. Этому направлению повышения энергетической эффективности энергогенерирующих бестопливных установок на базе ДГА и ТНУ посвящена настоящая работа.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Костюченко, Павел Анатольевич

Выводы

1. Разработана и защищена патентом на полезную модель схема бестопливной установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и ветроэнергетической установки.

2. Показано, что при анализе работы бестопливных энергогенерирующих установок на базе ДГА, ТНУ и ВЭУ в качестве критериев оценки эффективности работы следует применять долю выработанной установкой электроэнергии и абсолютную полезную электрическую мощность, отдаваемые в сеть.

3. Впервые разработаны математическая модель установки и алгоритмы расчета критериев эффективности при переменной температуре газа перед детандером без регенерации и с регенерацией теплоты газа после детандера.

4.Получены зависимости влияния абсолютной и относительной тепловых мощностей, подведенных от ветроэнергетической установки, температуры газа после конденсатора ТНУ, давлений входа и выхода природного газа на энергетическую эффективность работы установки как без регенерации, так и с регенерацией теплоты газа после детандера.

5.Термодинамический анализ работы бестопливной установки для производства электроэнергии на базе ДГА, ТНУ и ВЭУ позволил установить характер влияния подвода теплоты от возобновляемого источника энергии в теплообменнике подогрева газа до и после конденсатора ТНУ на эффективность работы установки.

6. В результате сравнительного анализа энергетической эффективности схем установок без регенерации и с регенерацией теплоты газа после детандера определены степени влияния параметров процессов (температур, давлений, подведенной теплоты) на эффективность применения регенеративного подогрева в схеме энергогенерирующей установки на базе ДГА, ТНУ И ВЭУ.

Так, показано, что эффект от применения регенерации заметно возрастает при уменьшении отношения давлений входа/выхода и при увеличении температуры газа на выходе из конденсатора ТНУ. Например, при отношении давлений входа/выхода 6,0 полезная мощность в схеме с регенерацией при прочих

144 равных условиях превосходит полезную мощность в схеме без регенерации в 1,04 раза, а при отношении давлений входа/выхода 2,67 - в 1,35 раза.

Показано также, что отдаваемые в сеть и полезная электрическая мощность, и доля электроэнергии при увеличении тепловой мощности, подводимой от ВЭУ в теплообменнике перед детандером, в схеме с регенерацией теплоты газа после детандера возрастают более интенсивно, чем в схеме без регенерации. Так, при принятых условиях расчета и доля электроэнергии, отдаваемой в сеть, и отдаваемая в сеть полезная электрическая мощность в схеме с регенерацией теплоты газа после детандера превосходит аналогичный показатель для схемы без регенерации для температуры 50°С в 1,14 раза; для 60°С — в 1,23 раза; для 70°С - в 1,37 раза и для 80 °С - в 1,61 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Костюченко, Павел Анатольевич, 2011 год

1. Давыдов А.Б., Кабулашвили А.Ш., Шерстюк А.Н. Расчет и конструирование турбодетандеров.-М.: Машиностроение, 1987.

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

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

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

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

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

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

8. L 'installatore technico.-1990.-Anno 4.-№l.-P. 18-32. Ит.

9. Martel U., Brogli A. Technische Beschreibung einer Gasexpansionsanlage // GasErdgas gwf (BRD). -136(1995). —Nr. 11. -S.601-609.

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

11. Надстройка Сургутской ГРЭС газопроточными турбинами / Э.К.Аракелян, В.А. Макарчьян, С.А.Голованов и др. // Теплоэнергетика.-1988.-№8. -С.45-48.

12. М.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.

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

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

15. 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.

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

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

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

19. Степанец А А. Энергосберегающие турбодетандерные установки / Под ред.

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

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

22. Трухний А.Д. Термодинамические основы использования утилизационных турбодетандерных установок // Вестник МЭИ. —1999. -№5. -С.10—14.

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

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

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

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

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

28. Сравнение различных способов подогрева газа в детандер-генераторном агрегате / В.С.Агабабов, Е.В.Джураева, А.В.Корягин и др.// Теплоэнергетика — 2003. -№11. -с.46-50.

29. Об использовании детандер-генераторных агрегатов в котельных / В.С.Агабабов, А.В.Корягин, В.Л.Титов, Ю.Ю.Хаймер // Энергосбережение и водоподготовка. -2002. -№2. -с. 14-18.

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 Ко-рягин., Ю.А Карасев., Е.В.Джураева // Труды международной конференции «СИНТ '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. -СП— 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, А.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

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

38. Агабабов B.C. О применении детандер-генераторных агрегатов в газовой промышленности // Сборник "Энергосбережение на объектах ОАО "Газ-пром".—2000. -С. 18-23.

39. Агабабов B.C., Корягин А.В., Утенков В.Ф.Автономное устройство для тепло- и электроснабжения/ Св-во на пол. мод. 14603 МКИ 7 F 01 D 15/08.

40. Агабабов B.C., Архаров Ю.М., Архарова А.Ю. Детандер-генераторная установка / Патент на пол. мод. №49199 РФ, МПК F 25 В 11/02, F 01 К 27/00 10.11.2005 Бюл.№31

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 и газа им. И.М. Губкина-2004. -228 с.

43. Оборудование возобновляемой и малой энергетики. Справочник-каталог под ред. П.П./Безруких М.: ЗАО НТЦ ВИЭН, ООО ИД «ЭНЕРГИЯ», 2005. -268с.

44. Магомедов A.M. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. -Махачкала: Юпитер, 1996. 244 с.

45. Войцеховский Б.В., Войцеховская Ф.Ф., Войцеховский М.Б. Микромодульная ветроэнергетика. Новосибирск, 1995. - 71 с.

46. Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России: состояние и перспективы развития. М.: МЭИ, 1996. -219 с.

47. Жарков C.B. Использование энергии ветра в системах энергоснабжения Северных районов // Теплоэнергетика. 2003. - N 10. - С.37-40.

48. Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы развития ветроэнергетики на Кольском полуострове. Апатиты, 1998. — 97 с.

49. Минин В.А. Перспективы применения ветроэнергетических установок для теплоснабжения потребителей Севера // Теплоэнергетика. 2003. -N 1. -С.48-53.

50. Перминов Э.М. Развитие ветроэнергетики в европейских странах // Энергетик 2004. - N 6. - С.30-31.

51. Перминов Э.М. Состояние и перспективы развития мировой ветроэнергетики // Энергетик 2005. - N 7. - С.32-33.

52. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сельхозгиз, 1948. -544 с.

53. ГОСТ Р 51237-98. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Термины и определения. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1999.

54. Бекман Г., Гили П. Тепловое аккумулирование энергии: Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. -272с.

55. Детандер-генераторная установка // B.C. Агабабов, A.A. Александров, Е.В. Джураева, П.А. Костюченко / Патент на пол. мод. №72049 RU МПК F25B 11/02, 14.11.2007 Опубл. 27.03.2008 Бюл. №9, приоритет от 14.11.2007.

56. Корягин A.B., Джураева Е.В. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2001611044 РФ. Расчет детандер-генераторных агрегатов и ожижителей природного газа / (РФ) — 1 с.

57. Метан жидкий и газообразный. Термодинамические свойства, коэффициенты динамический вязкости и теплопроводности при температурах 91 — 700 К и давлениях 0, 1 -100 МПа. ГСССД 195-01.//А.Д. Козлов, Ю.В. Мамонов, М.Д. Сычев и др./, Москва, 2001, 43 с.

58. Справочная книжка энергетика / Сост. А.Д. Смирнов.- М.: Энергия, 1978. — 3-е изд., перераб. и доп. -336 с.

59. ГОСТ 30319.0 96 Газ природный. Методы расчета физических свойств. Общие положения. М.: Изд-во стандартов, 1996.

60. ГОСТ 30319.1-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение физических свойств природного газа, его компонентов и продуктов его переработки. М.: Изд-во стандартов, 1996.

61. ГОСТ 30319.2-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости. — М.: Изд-во стандартов, 1996.

62. ГОСТ 30319.3-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение физических свойств по уравнению состояния. — М.: Изд-во стандартов, 1996.

63. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 1972 г.

64. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. -М., «Энергия», 1973. 296 с.

65. Александров A.A. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок / М.: Издательство МЭИ, 2004.