Повышение энергетической эффективности тепловых электрических станций с использованием низкокипящих рабочих тел в паротурбинных циклах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат наук Логинова, Елена Анатольевна

• Логинова, Елена Анатольевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Логинова, Елена Анатольевна

Оглавление

Введение

ГЛАВА 1. Анализ использования низкопящих рабочих тел в паротурбинных циклах

1.1 Современное состояние электрических станций на низкокипящих рабочих телах

1.2 История развития ПТУ на НРТ

1.3 Применение НРТ в комбинированных циклах

1.4 Многокомпонентные рабочие тела

1.5 Характеристика существующих НРТ

1.6 Краткое описание тепловых схем действующих электрических станций на НРТ

1.7 Заключение по литературному обзору

ГЛАВА 2. Рекомендации к применению элементов электрической станции с низкокипящим рабочим телом

2.1 Термодинамический анализ циклов НРТ

2.1.1 Анализ влияния верхней температуры цикла на его предельную эффективность

2.1.2 Анализ верхнего давления на предельную эффективность цикла

2.1.3 Особенности выбора нижних параметров цикла

2.2 Выбор тепловой схемы ПТУ с НРТ

2.3. Анализ целесообразности применения дистилляционной подсистемы в схеме с ПТУ работающей на водоаммиачном растворе

2.4 Исследование характеристик НРТ и разработка алгоритма выбора рабочего тела

2.4.1 Основные проблемы выбора НРТ

2.4.2 Классификация и основные характеристики НРТ

2.4.3 Характеристики безопасности НРТ

2.4.4 Общие требования к НРТ

2.4.5 Принципиальная блок-схема, описывающая алгоритм выбора НРТ

2.5 Исследование конструктивной целесообразности создания ПТУ с НРТ

2.5.1 .Результаты расчета тепловых схем

2.5.2 Исследование конструктивных и энергетических характеристик

оборудования

ГЛАВА 3. Математическое моделирование паротурбинной установки с контуром, работающим на низкокипящем рабочем теле

3.1 Обработка накопленных сведений об ЭС, работающих на НРТ

3.2 Описание применяемых компьютерных программ

3.3 Описание технологической схемы ТЭС ООО «Обуховоэнерго»

3.3.¡Технические характеристики оборудования станции

3.4 Новая математическая модель, разработанная на основе апробированных

теоретических зависимостей

Расчет технико-экономических показателей станции

3.4 Технико-экономическое обоснование

Коммерческая идея проекта

ГЛАВА 4. Полученные результаты

4.1 Основные технико-экономические показатели

4.2 Выбор параметров термодинамических циклов

Выводы

Библиографический список

Список используемых сокращений

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности тепловых электрических станций с использованием низкокипящих рабочих тел в паротурбинных циклах»

Введение

Актуальность темы. В настоящее время в России приоритетными являются задачи распространения энергосберегающих технологий, повышения энергоэффективности экономики, снижения давления топливно-энергетического комплекса на природные ресурсы страны.

В условиях быстрого роста цен на органическое топливо энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения её конкурентной способности. Основные направления энергосбережения:

• использование низкопотенциальной энергии промышленных предприятий;

• создание простых и надёжных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива.

Важнейшим направлением Энергетической программы (до 2020 г.), принятой Правительством РФ в 2003 г., является энергосбережение во всех отраслях промышленности. Во-первых, энергосбережение предполагает внедрение новых технологических процессов, в основе которых заложена меньшая энергоёмкость по сравнению с существующими технологиями. Во-вторых, - использование низкопотенциальной энергии, которая на современном уровне развития энергетики ещё мало применяется. Кроме того, сброс низкопотенциальной энергии вызывает экологическое загрязнение окружающей среды.

В промышленной энергетике России утилизация сбросной теплоты предприятий с выработкой электрической энергии на основе низкокипящих рабочих тел позволит снизить затраты предприятия на собственные нужды и улучшить экологическую обстановку.

Область применения установок с НРТ достаточно широка. Перспективным представляется применение паротурбинных установок с низкокипящим рабочим телом на ЦБК с противодавленческими турбинами для глубокой утилизации тепла уходящих газов.

В различных отраслях промышленности, особенно в целлюлозно-бумажной промышленности, применяются сотни промышленных печей со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно устанавливать водогрейные котлы, нагретую воду из которых подавать в контур НРТ для выработки электроэнергии.

На магистральных газопроводах страны установлены десятки газотурбинных компрессорных станций со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие ГТУ можно перевести в режим ПТУ с применением контуров с НРТ.

Дешёвые местные виды топлива можно сжигать в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НРТ.

Цель и задачи работы. В настоящее время в российской энергетике ощущается недостаток опыта проектирования и разработок паротурбинных установок на экологически безопасных низкокипящих рабочих телах. В России несколько лет проводится работа по внедрению технологий применения низкокипящих рабочих тел для производства электрической энергии, но сразу возникают трудности ввиду нехватки информации, в том числе и по проектированию тепловых электрических станций на низкокипящих рабочих телах. Необходимы рекомендации по выбору и расчету параметров тепловых схем и циклов, выбору и определению характеристик основного тепломеханического оборудования. Большая часть информации по проектированию энергоблоков является конфиденциальной информацией по причине интересов компаний, занимающихся их продвижением.

Целью работы являлась разработка методики выбора низкокипящего рабочего тела и расчета контура с турбиной, работающей на этом теле с целью повышения энергетической эффективности ТЭС; исследование структуры элементов тепловых электрических станций, работающих на низкокипящем рабочем теле.

Основные задачи:

1. исследование характеристик низкокипящих рабочих тел и создание алгоритма их выбора;

2. изучение опыта создания и эксплуатации тепловых электрических станций с низкокипящим рабочим телом;

3. разработка рекомендаций по выбору параметров тепловых циклов на низкокипящем рабочем теле;

4. оценка целесообразности применения различных тепловых схем;

5. подтверждение технической и экономической целесообразности применения низкокипящего рабочего тела на тепловой электрической станции.

Научная новизна диссертационной работы:

новым является комплексный подход к выбору низкокипящего рабочего тела, учитывающий требования экологической безопасности и тепловой эффективности;

рассмотрен ряд экологически безопасных низкокипящих рабочих тел, в том числе эфиров;

разработана математическая модель рассматриваемой тепловой схемы;

разработана методика выбора низкокипящего рабочего тела, учитывающая экологические и технические требования;

на конкретном примере выполнена апробация разработанной математической модели с выполнением расчетов тепловых схем и конструкторской проработки оборудования (конденсационного устройства).

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследований и разработок, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы на этапе проектирования электрических станций на низкокипящих рабочих телах и их модернизации.

Разработанная методика передана в ОАО ГУП ТЭК для проведения проектных работ и мероприятий по модернизации действующих паротурбинных установок. По результатам данного мероприятия имеется акт внедрения.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются полнотой исследований технологий генерации электрической энергии на основе применения низкокипящего рабочего тела. Достоверность данных, полученных с помощью разработанных компьютерных программ, подтверждена сравнительными расчетами.

Личный вклад автора заключается в формировании теоретической базы действующих установок на низкокипящих рабочих телах. Разработана методика по выбору низкокипящего рабочего тела, учитывающая экологические и технические требования. Разработаны рекомендации к выбору параметров и конфигураций тепловых схем. Проведено математическое моделирование тепловой схемы действующей тепловой электрической станции и созданы программные продукты для расчета тепловых схем и оборудования. Определены технико-экономические показатели тепловой электрической станции на низкокипящем рабочем теле.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции «Современные тенденции в сервисном обслуживании на предприятиях ЦБП», СПбГТУРП, институт комплексного развития и обучения «Крона», числа 2013 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных работы, 2 из которых в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Содержит 141 страницу, в том числе 17 таблиц, 56 рисунков и список литературы из 101 наименования.

Автор выражает благодарность:

Д.т.н., профессору В.В.Рыбалко, д.т.н. М.А. Готовскому, д.т.н. В.А. Суслову за ценные советы и рекомендации в ходе обсуждения диссертации.

ГЛАВА 1. Анализ использования низкопящих

рабочих тел в паротурбинных циклах

1.1 Современное состояние электрических станций на низкокипящих рабочих телах

По опубликованным данным за 2004 год суммарная установленная мощность ЭС на НРТ составляет более 750 МВт при общем количестве станций более 50-ти. Единичная мощность энергоблоков лежит в диапазоне 0,2-6,5 МВт. ТЭС на НРТ эксплуатируются в 17 странах мира (Япония, США, Германия, Австрия, Китай, Новой Зеландии и др.) Самую большую мощность имеет ГеоЭС с НРТ "Upper Mahiao, Leyte" на Филиппинах - 125 МВт. Статистика по распределению установленной мощности ТЭС на НРТ по странам показана на рис 1.1.

Около 10 % ТЭС на НРТ занимают ТЭС утилизирующего типа, использующие сбросную теплоту промышленных производств или энергию биомассы, а 90% занимают геотермальные установки.

Применением НРТ в области геотермальной энергетики занимается АО «Наука» при участии НУЦ Гео МЭИ, АО «ВНИИхолодмаш-холдинг», ИВТАН, ИТФ СО РАН

В 1965 г. советские ученые С.С. Кутателадзе и JI.M. Розенфельд получили патент на способ выработки электроэнергии из горячей воды с температурой 170 °С.

С целью разработки и создания технологии и оборудования геотермальных электростанций с бинарным циклом для условий Камчатской области и северных районов России (низкие температуры воздуха, высокий снежный покров, частый и сильный ветер, показатель сейсмичности 7—9 баллов в соответствии со шкалой МСК-64) АО «Геотерм» при активной поддержке Миннауки России ведет работы по созданию четвертого энергоблока с бинарным циклом для В-МГеоЭС

Избыток двухфазного геотермального теплоносителя из существующих скважин, не использованный тремя энергоблоками В-МГеоЭС, а также сбросной теплоноситель будут утилизироваться в четвертом энергоблоке, который состоит из двух контуров.

Тепловая схема комбинированной электростанции с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт для В-МГеоЭС представлена на рис. 3.

В первом контуре устанавливается паровая противодавленческая турбина мощностью 2,5 МВт, изготовленная на АО КТЗ. Отсепарированный избыточный пар подается в паровую турбину, после чего он конденсируется в трубках конденсатора-испарителя. Давление на выходе из паровой турбины составляет 0,11 МПа.

Турбины, генераторы и теплообменное оборудование будут смонтированы в закрытом помещении. Панели воздушного конденсатора — наклонные для предотвращения накопления снега и образования льда на

Рис.2. Основные сооружения Мутновского геотермального энергетического комплекса. 1- электроподстанция Авача, 2- Паратунская ГеоЭС (создана в 1967г, первая бинарная ГеоЭС), 3- центр дистационного управления ГеоЭС, лабораторная база и поселок энергетиков, 4-промежуточная транспортно-складская база строительства ГеоЭС, 5- ЛЭП-220 кВт, 6- вторая очередь Мутновской ГеоЭС, 7- Верхне-Мутновская ГеоЭС, 8-первая очередь ГеоЭС.

Комбинированный геотермальный энергоблок с бинарным циклом четвертый энергоблок Верхне-Мутновской ГеоЭС

■ -

<1 ~ ш-1 й :

* т.- г- ' л, ^ - •

щР®!

Рис.1. Верхнемутновская Геотермальная Электрическая Станция.

Цр. £»мв

Рис.3. Принципиальная тепловая схема комбинированной геотермальной электростанции с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт для Верхне-Мутновской ГеоЭС. А-первый паровой контур; Б - второй контур (на изобутане); 1- производительная скважина; 2- сепаратор; 3- паровая турбина; 4-теплообменник; 5- насос закачки; 6- скважина закачки; 7- перегреватель; 8-турбина на низкокипящем рабочем теле; 9- воздушный конденсатор; 10-конденсатообменник; 11-насос.

поверхностях теплообмена. Вытяжные вентиляторы и приводные электромоторы планируется разместить в потоке уже подогретого воздуха. Электротехническое оборудование и устройства автоматической системы управления будут находиться в обогреваемом контейнере.

Во втором контуре будет работать установка нижнего цикла номинальной мощностью 4 МВт. Она явится прототипом серийных бинарных энергоблоков, которые предполагается использовать при создании второй очереди Мутновской ГеоЭС (ее общая мощность будет равна 60 МВт), а также для автономных бинарных ГеоЭС в Камчатской области и других районах России.

В рамках проектирования, строительства и испытания комбинированного энергоблока для В-М ГеоЭС решаются такие научно-технические проблемы, как выбор оптимального низкокипящего рабочего тела второго контура, определение предельной минимальной температуры охлаждения конденсата, обеспечивающей предотвращение отложений в рабочем тракте первого контура, выбор оптимального метода удаления неконденсирующихся газов из конденсатора-испарителя, вопросы по обеспечению экологических ограничений по выбросу сероводорода и т.д.

Относительно низкая среднегодовая температура воздуха в районе Мутновского месторождения (- 1 °С, при этом средняя температура на протяжении 8 мес. в году ниже и равна - 5 °С) позволяет снижать расчетную температуру конденсата в энергоцикле до 10...20 °С, получая повышение

мощности более чем на 10 % по сравнению с ГеоЭС, расположенными в умеренных или жарких широтах.

Рабочее тело бинарного энергоблока (органическое вещество) имеет низкую температуру замерзания, что обеспечивает нормальную устойчивую работу технологической схемы ГеоЭС в зимний период, предотвращая его замерзание при аварийных и непредвиденных остановах.

НУЦ Гео МЭИ и АО «Наука» в 2003 году создали опытно-промышленной ПТУ НА ТЭЦ МЭИ с использованием водоаммиачного рабочего тела в нижнем паротурбинном цикле. Идея была одобрена на научно-техническом совете МЭИ.

Вновь актуальными вопросами созданием мощных энергоблоков на НРТ занимается ВНИИАМ.

Анализ экономичности работы компрессионных станций за счет утилизации сбросного тепла выполнен институтом технической теплофизики, ОАО «ВНИПИтрансгаз» и ДК «Уктрансгаз». Основные результаты исследований теплоэнергетических установок с НРТ на газоперекачивающих станциях рассмотрены в [5].

На ОАО «Завод «Киров-Энергомаш»» разработана турбина мощностью 1600 КВт, работающая на фреоне R-142b. В ЭНИН им. Кржижановского выполнены расчетно-теоретические исследования схем геотермальных ЭС с использованием водоаммиачного раствора [4].

III очередь Мутновской ГеоЭС мощностью более 100 МВт в 2012 году.

Последнее время осуществляется внедрение утилизационных установок, использующих сбросную теплоту промышленных предприятий. Это направление - одно из наиболее эффективных. Так в Японии введена в эксплуатацию усановка мощностью 3,5 МВт на бинарном водоаммиачном рабочем теле на предприятии металлургической промышленности [17]. В 1999 на цементном заводе в Германии построена установка мощностью 1МВт на пентане [6] году. В Канаде эксплуатируются две энергогенерирующие установки, утилизирующие сбросное тепло газоперекачивающего агрегата.

Американская компания Advanced Thermal System объявила о намерении построить серию ГеоЭС с водоаммиачным циклом общей мощностью 1000 МВт [8].

В 1993 году компания General Electric Oil and Gas подписала соглашение с компанией Exergy на получение эксклюзивных лицензионных прав на технологии для систем комбинированного парогазового цикла мощностью от 50 до 150 МВт и работают над проектом в городе Ливингстон (Калифорния). Мощность установки составит 110 МВт с КПД 50%. Также компании прорабатывали станцию комбинированного цикла, которая будет работать с КПД 62%.

Наиболее распространенные являются ЭС, использующие в качестве рабочего тела пентан (Германия, США, Новая Зеландия...)[9-11].

В Европе и Северной Америке, где стоимость энергоносителей гораздо дороже, чем в России, сложился совершенно иной подход к утилизации тепла

от любых промышленных источников. На сегодняшний день, там накоплен большой опыт строительства компрессорных станций с надстройками, использующими тепло выхлопных газов. В одном из последних выпусков журнала Diesel & Gas Turbine Worldwide опубликована статья, подробно рассказывающая о работе таких установок на одном из самых длинных (2010 км) газопроводов США «Northern Border Pipeline».

Компрессорные станции на газопроводе «Northern Border Pipeline» оснащены теплоутилизационными установками ORMAT® ENERGY CONVERTER (ОЕС). Высокая эффективность этих установок обусловлена использованием в качестве рабочего тела в тепловом контуре не водяного пара,апентана.

Для поддержания давления на газопроводе построено 17 компрессорных станций. В том числе, 11 из них имеют привод от газотурбинных установок (ГТУ) Rolls-Royce RB211 мощностью 28 МВт, 2 - от ГТУ RollsRoyce Avon 16 МВт, 4 имеют электропривод.

Газотурбинная установка Rolls-Royce RB211 имеет ПТУ расход газа на выходе из ГТУ 91,3 кг/с. В установке реализован двухвальный принцип, что обеспечивает асинхронную частоту вращения турбины и генератора. Температура уходящих газов около 510°С. Максимальный к.п.д. установки достигает 37,2%. Установка потребляет 167-198 тыс. м. куб. газа в день. Компрессорные станции на базе ГТУ Rolls-Royce RB211 оснащены турбинными надстройками, которые построила и эксплуатирует компания Ormat Technologies, (www.ormat.com). В основе работы установки -органический цикл Ренкина. В отличии от классического цикла Ренкина, где в качестве рабочего тела используется пар, здесь применяется органический газпентан(С5Н12).

При использовании источников низкопотенциального тепла физические свойства пентана (низкая температура кипения, повышенная теплоемкость) делают его применение, в качестве рабочего тела, более экономически выгодным по сравнению с паром. Это позволяет создавать высокоэффективные энергетические комплексы для: утилизации тепла в промышленности, геотермальной энергетики, солнечной энергетики.

Если сравнить циклы Ренкина для пентана и пара в T-S диаграммах (температура-энтропия) можно заметить, что при использовании первого из них

Рис. 4. Компрессорная станция №11 газопровода «Northern Border Pipeline,

оснащенная утилизаторомтепла. [ 100]

цикл происходит при более низких температурах и меньших затратах теплоты.

Итак, в утилизационной установке (ORMAT® ENERGY CONVERTER (ОЕС)) в качестве рабочего тела используется пентан, который циркулирует в двух независимых контурах. В жидком состоянии (когда рабочее тело охлажда

Рис. 5. Циклы Ренкина для пентана и пара в T-s диаграмме.

ется и сжимается) пентан приобретает форму минерального масла. Весь процесс (см. схему ниже) начинается в первом контуре с нагрева масла в котле-утилизаторе (heat-recovery unit), куда поступают выхлопные газы турбины (при температуре около 500°С). Температура кипения пентана сравнительна низка (36,1 °С при нормальных условиях), поэтому в котле-утилизаторе он быстро переходит в газообразное состояние, после чего, имея температуру около 260 °С, направляется в испаритель (vaporizer).

В испарителе достигается кипение и перегрев пентана циркулирующего во втором контуре. Пентан второго контура поступает в испаритель предварительно подогретым в подогревателе низкого давления (Preheater). Из испарителя пентан первого конура с температурой около 200 °С направляется в турбину (Turbine), а пентан первого контура - в подогреватель низкого

давления.

Процесс настроен таким образом, что в турбине не происходит конденсации пентана в ходе срабатывания теплоперепада. На выходе из турбины пентан имеет температуру около 40 °С, его температура снижается сначала в рекуператоре (Recuperator), а затем в воздушном конденсаторе (Condenser) охлаждаемом вентиляторами (Fan).

После конденсатора в жидком состоянии пентан начинает подогреваться сначала в рекуператоре, затем в подогревателе низкого давления и наконец в испарителе. [100]

Модель процесса

По расчетам к.п.д. процесса составляет 18%. То есть эффективность использования теплоты природного газа на компрессорной станции с учетом газотурбинной установки достигает 55,2 %.

При работе совместно с одной ГТУ Rolls-Royce RB211 мощностью 28 МВт установка ОЕС обеспечивает 6,5 МВт электрической мощности. На собственные нужды установки (насосы, вентиляторы, система управления и пр.) необходимо 0,8 МВт мощности. То есть, 5,7 МВт может быть выдано в сеть либо использовано на нужды компрессорной станции. Суммарно на четырех компрессорных станциях газопровода «Northern Border Pipeline» таким образом получили 62,7 МВт дешевой электрической мощности. По оценкам компании Ormat Technologies стоимость электроэнергии составляет около 0,05 центов за кВт*ч (около 1,5 руб за кВт*ч).

Среди преимуществ использования установок ОЕС выделяют меньшие размеры и металлоемкость конструкции по сравнению с вариантом паротурбинной установки. Это вызвано меньшим, по сравнению с паром, удельным объемом пентана. В результате чего применяются меньшие по размеру и металлоемкости, а следовательно более дешевые, турбины, трубопроводы и конденсаторы.

Кроме того, использование вентиляторного охлаждения в органическом цикле Ренкина более эффективно, конденсация происходит при давлении близком к атмосферному. Это важно в условиях недостатка либо

Рис. 6. Турбина, использующая в качестве рабочего тела пентан вместе с генератором.

ш.

полного отсутствия питательной и охлаждающей воды (которая потребовалась бы при ра боте паротурбинной установки) на компрессорных станциях. Для справки: компания Ormat Technologies - мировой лидер в области геотермальной и промышленной энергетики. Компания была основана в Израиле, с 1972 года ведет деятельность в США. На счету компании десятки открытий и изобретений. Компания представляет собой вертикально-интегрированную структуру, основной бизнес которой связан с разработкой, строительством, эксплуатацией и обслуживанием объектов геотермальной энергетики и установок для выработки электроэнергии из низкопотенциального тепла на промышленных объектах.

Используемое оборудование серийно производится на протяжении последних лет.

1.2 История развития ПТУ на НРТ

Первый в мире опытный образец энергоблока с использованием НРТ (установка УЭФ-90/0,5) был введен в состав Паратунской ГеоТЭС в 1967 году [12]. В 1965 г. советские ученые С.С. Кутателадзе и А.М.Розенфельд получили патент на получение электроэнергии из горячей воды с температурой более 80 °С [1]. Уже в 1967 г. на Камчатке была построена и пущена в опытно-промышленную эксплуатацию первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом - Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт [2]. В ходе ее испытаний была доказана техническая возможность получения электроэнергии при использовании столь низкотемпературного источника тепла в традиционном цикле Ренкина на низкокипящем рабочем теле за счет тепла воды с температурой более 70 °С . Однако в СССР сооружение таких станций не получило должного развития из-за низкой стоимости органического топлива в стране.

Сегодня бинарные ГеоЭС в России могут быть экономически эффективными при температуре термальной воды 70-200 °С. К настоящему времени бинарные ГеоЭС работают во многих странах, их суммарная мощность превышает 500 МВт. В настоящее время за рубежом несколько компаний (в первую очередь израильская фирма "Ормат") наладили серийное производство бинарных энергоустановок на органических рабочих телах (изобутан, изо-пентан) единичной мощностью 1,5-4 МВт.

Применение бинарных ГеоЭС позволяет быстро и надежно обеспечивать электроэнергией поселки и небольшие города, находящиеся вдали от центральных районов, особенно в северных районах страны.

Сегодня в России открываются большие перспективы использования бинарных ГеоЭС блочного типа мощностью от 100 кВт до 12 МВт для районов, где имеется горячая геотермальная вода.

В нашей стране в 1991 г. уже была разработана модульная транспортабельная бинарная энергоустановка мощностью 0,6-1,7 МВт на фреоне для использования термальных вод с температурой 80- 180 °С (ЭНИН, Кировский завод). В зависимости от температуры греющей воды

удельная стоимость установленного киловатта составляет 400-1000 долл., стоимость электроэнергии 2-4 цент./кВт. Энергомодуль может быть поставлен в течение 18 месяцев после получения заказа.

Сегодня АО "Наука" по заказу АО "Геотерм" при поддержке Миннауки РФ и с участием МЭИ, ЭНИН и ИВТАН, активно разрабатывает ГеоЭС с бинарным и комбинированным циклами.

Верхне-Мутновская ГеоЭС с комбинированным циклом

В тех случаях, когда на поверхность земли поступает геотермальный двухфазный (пар-вода) теплоноситель при температуре более 120 °С для Северных районов России, весьма желательным представляется применение ГеоЭС с комбинированным циклом (см. рис.1.8). Такие ГеоЭС имеют два типа турбин:

• работающая на геотермальном паре при начальном давлении 0,4-0,8 МПа;

• работающая па органическом низкокипящем рабочем теле.

Кроме дополнительной выработки электроэнергии, обеспечивается

надежная зимняя эксплуатация, поскольку температура воды в цикле не опускается ниже 70-80 °С, а низкокипящие рабочие тела не замерзают вплоть опускается ниже 70-80 °С, а низкокипящие рабочие тела не замерзают вплоть до температуры -70 °С.

Климатические условия на Мутновском геотермальном месторождении уникальны в связи с его расположением в северном районе, на значительной высоте над уровнем моря. Среднегодовая температура воздуха -1,5 °С, в течение восьми месяцев (с октября по май) средняя температура ниже -5 °С. Это позволяет понизить температуру конденсации в энергетическом цикле до 10-20 °С, что дает большой прирост (на 20-40%) в выработке электроэнергии по сравнению с ГеоЭС, которые расположены в районах жаркого или умеренного климата.

Другим преимуществом низкой температуры конденсации является сравнительно небольшая потеря мощности станции при снижении со временем давления на устье эксплуатационных скважин. Реализация бинарного цикла при использовании только турбин на геотермальном паре неудобна из-за больших объемных расходов пара и больших высот лопаток на последних ступенях турбины, а также из-за значительных затрат энергии на удаление газов из конденсатора при давлениях насыщения воды, соответствующих 10-20 °С. Применение энергоустановок комбинированного цикла устраняет эти трудности. Станция комбинированного цикла состоит из энергоустановки с прямым использованием геотермального пара (верхняя часть цикла) и бинарной энергоустановки на низкокипящем рабочем теле (нижняя часть). В свою очередь, бинарная энергоустановка может состоять из 1-3 параллельных турбогенераторных модулей.

Рабочие тела бинарной энергоустановки должны иметь низкую температуру замерзания для обеспечения нормальной зимней эксплуатации и предотвращения замерзания при аварийных остановах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Логинова, Елена Анатольевна, 2014 год

Библиографический список

1. М.Б. Сапожников, Н.И. Тимошенко. Электрические станции на низкокипящих рабочих телах // Теплоэнергетика №3, 2005, С. 73-77.

2. Поваров О.А, Саакян В.А., Никольский А.И., Лузин В.Е., Сапожников М.Б. Бинарные электрические станции //Тяжелое машиностроение №8, 2002, с. 1315.

3. Боярский М.Ю., Никольский А.И., Сапожников М.Б., Шипков А.Е. Сопоставление характеристик рабочих тел в низкотемпературных паротурбинных циклах //Труды Международного Геотермального Семинара «Энергия без дыма», 2003.

4. Васильев В.А., Крайнов А.В., Геворков И.Г. Расчет параметров унифицированной геотермальной энергоустановки на водоаммиачной смеси //Теплоэнергетика №5, 1996.

5. Б. Билека, Е. Васильев, В. Кабков и др. Утилизация сбросной теплоты ГПА в энергоустановках с низкокипящими рабочими телами //Газотурбинные технологии №5, 2002, с.6-10.

6. W. Claus, Т. Kolbe. Langzeitbetriebserfahrungen mit der ORC-anlage zur Niedertemperaturverstromung im Werk Lengfurt // ZKG №10, 2002, Vol.55, p.78-86.

7. Канаев A.A., Ширков В.Б., Крышев Д.М. и др. Одновальные водо-фреоновые турбоагрегаты//Энергомашиностроение №10, 1967, с.30-34.

8. J. Lund, Т. Boyd. Small geothermal project examples //GHC Bulletin, June, 1999, p.9-26.

9. R. Sones, Z. Krieger. Case history of the binary power plant development at the Heber, California geothermal resource //Proceedings World geothermal congress, 2000, p.2217-2219.

10. D. Schochet. Commercial operation of 250 kW geothermal power plant //GRC Transactions, 2002, Vol. 26, p.719-722.

11. Использование фреонов в энергетических установках //Сборник трудов под ред. В.Н.Москвичевой. ИТФ СО АН СССР, Новосибирск. 1973.

12. L. McLarty, М. J. Reed. The U.S. Geothermal Industry: Three Decades of Growth. Energy Sources, Vol. 14, 1992.

13. Дунаевский Н.И. Бинарные циклы. М. Госэнергоиздат, 1934, 120 с.

14. Гохштейн Д.П. К проблеме нового рабочего агента для бинарных установок. Изд. Одесского индустр. ин-та, 1938, 35 с.

15. Калафати Д.Д., Копп И.З., Каекин B.C. и др. Выбор рабочего тела низкотемпературного контура мощных паротурбинных блоков //Труды всесоюзной конференции по термодинамике. JL, ЛТИХП, 1969, с.282-289.

16. Канаев А.А., Копп И.З., Кутателадзе С.С. и др. Водо-фреоновые установки большой мощности. Доклад №10 на VII Конгрессе МИРЭК. М., 1968, 20 с.

18. Гохштейн Д.П., Верхивкер Г.П., Дехтярев B.JI. Перспективы углекислотных установок //Теплофизика высоких температур №4, 1968, с.621-633.

19. Д.П. Гохштейн, A.M. Аксельбанд, B.JI. Дехтярев, Е.К. Олесевич. Предельная мощность турбин энергетических установок //Теплоэнергетика №12, 1968, с.62-65.

20. Д.П. Гохштейн. Проблема повышения КПД паротурбинных станций. Госэнергоиздат, 1960.

21. Гохштейн Д.П., Верхивкер Г.П. Проблема использования неводяных паров в энергетике//Теплоэнергетика № 1, 1969, с.54-59.

22. Д.П. Гохштейн, Г.Ф. Смирнов, B.C. Киров. Некоторые особенности парогазовых схем с неводяными парами //Теплоэнергетика №5, 1966, с.20-24.

23. Канаев А.А., Копп И.З. Неводяные пары в энергомашиностроении. JI., Машиностроение, 1973, 216 с.

24. Гришутин М.М., Севастьянов А.П., Селезнев Л.И. и др. Паротурбинныеустановки с органическими рабочими телами. Л., Машиностроение, 1988, 219 с.

25. Холодильные машины и аппараты. Л.М.Розенфельд, А.Г.Ткачев. Госторгиздат, М. 1955 г.

26. A.I. Kalina. Combined-Cycle System with Novel Bottoming Cycle. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power №106, 1984, p. 73 7-742.

27. A.I. Kalina, V.M. Brodianski. Exergy analysis of Kalina cycles"s thermodynamic efficiency.

28. A. Kalina, M. Tribus. The Kalina power cycles a progress report //Proceedings of the American Power Conference, 1986, p. 1-17.

29. Kalina A.I. and Tribus M. Thermodynamics of the Kalina Cycle and the Need for Improved Properties Data. In Proc. of 12th Int. Conf. on the Properties of Water and Steam. 1995. p.841-854.

30. A.Kalina, H.Leibowitz, L.Lazzeri, F.Diotti. Recent development in the application of Kalina cycle for geothermal plants. GRC 1995.

31. E. Thorin. Power cycles with ammonia-water mixtures as working fluid. Analysis of different applications and the influence of thermophysical properties. Doctoral thesis, 2000. Royal institute of technology, Sweden.

32. K. Gawlik, V. Hassani. Advanced binary cycles: optimum working fluids//NREL Technical report, 1998. SR-550-26209 (www.nrel.com).

33. K.Z. Iqbal, L.W. Fish, K.E. Starling. Advantages of using mixtures as working fluids in geothermal binary cycles // Proc. Okla. Acad. Sci. 56., 1976., p. 110-113.

34. K.Z. Iqbal, L.W. Fish, K.E. Starling. Isobutane geothermal binary cycle sensitivity analysis//Proc. Okla. Acad. Sci. 57, 1977., p. 131-137.

35. K. Nichols. Case histories Barber-Nichols small geothermal power plants. 1999. (www.barber-nichols.com).

36. K. Ura, S. Saitou. Geothermal binary power generation system //Proceedings World Geothermal Congress 2000, p. 3327-3333.

37. H. Mlcak, M. Mirolli, H. Hjartarson, M. Ralph. Notes from the North: a Report on the Debut Year of the 2 MW Kalina Cycle Geothermal Power Plant in Husavik, Iceland //Husavik Performance (05/26/02).

38. R. Maack, P. Valdimarsson. Operating experience with Kalina power plants, p. 111. (www.xorka.com/researchpapers.htm).

39. Henry A. Mlcak. Kalina cycle concepts for low temperature geothermal // GRC Transactions, 2002, vol.26, p.707-713.

40. T. Maghiar. Pilot Binary Power Plant // IGA NEWS, April June, 1995.p.5-6.

41. T. Maghiar, C. Antal. Power generation from low-enthalpy geothermal resources // GHC Bulletin, June, 2001, p.35-37.

42. A.JI. Ефимов. Энергобалансы промышленных предприятий. Уч.пособие. М.,МЭИ 2002.

43. А.Б. Гаряев, O.JI. Данилов, АЛ. Ефимов и др. Энергосбережение в энергетике и технологиях. Уч.пособие. М., МЭИ 2002.

44. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Теплофизические аспекты экологических проблем современной холодильной техники // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщ. 2002. Прил. к спецвып. № 10., с.54-57. (http://chem.kstu.ru).

45. В.Д. Штейнгарц. Фторуглероды // Соросовский образовательный журнал №5, 1999, с.27-32.

46. E.W. Lemmon, М.О. McLinden, M.L. Huber. NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP Version 7.0, 2002.

47. М.Б. Сапожников, Н.И. Тимошенко. О вопросах применения дистилляционной подсистемы в схемах паротурбинных установок, работающих на водоаммиачном рабочем теле // Деп. в ВИНИТИ 11.02.2005 №202.

48. Турбины тепловых и атомных электрических станций. 2-е изд. По ред. А.Г.Костюка, В.В. Фролова. М., МЭИ, 2001, 488с.

49. Методика теплового и аэродинамического расчета аппаратов воздушного охлаждения. ВНИИНЕФТЕМАШ, 1971.

50. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения. Под ред. В.Б. Кунтыша и А.Н. Бессонного. С-Пб., Недра., С-Пб отд., 1996.

51. В.М. Шмеркович. Опыт проектирования нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Применение аппаратов воздушного охлаждения при проектировании нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. М., 1971.

52. Ананьев А.И., Федоров А.Ф. Самоучитель Visual Basic 6.0. С-Пб,2000.

53. Гарнаев А.Ю. Самоучитель VBA. С-Пб, 1999.

54. Modular through power plant cycle and systems analysis // NREL technical report, 2002. TP-550-31240 (www.nrel.com).

55. B.C. Мартыновский. Анализ действительных термодинамических циклов. М., «Энергия», 1972, 216 с.

56. Бродянский В.М. Вечный двигатель прежде и теперь. От утопии к науке, от науки - к утопии. М., ФИЗМАТЛИТ, 2001. 264с.

57. G. Zyhowski. HFC-245fa in Organic Rankine Cycle Applications // Proceedings of 21st IIR International Congress of Refrigeration. Washington D.C.USA, 2003.

58. The Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer. Published 2000.

59. Proceedings of Innovative energy systems workshop, Honolulu, HI. March, 2003.

60. М.Б. Сапожников, Н.И. Тимошенко. Выбор давлений в паротурбинном цикле электрической станции, работающей на основе низкокипящих рабочих тел // Вести в электроэнергетике №1, 2005, с.55-58.

61. Production of electrical energy from low enthalpy geothermal recouses by binary power plants. UNIT API/UNDP centre on small energy recourses. Rome-Italy, 1989.

62. G. Angelino, R. Bini, P. Bombarda. One MW binary cycle turbogenerator module made in Europe // Proceedings of World geothermal congress, 2000, p.2125-2130.

63. Genetron 245fa Material Safety Data Sheet. Honeywell.

64. Isobutane Material Safety Data Sheet., 2000. Amoco Canada Petroleum Company Ltd.

65. Isopentane Material Safety Data Sheet., 2001. Matheson Tri-Gas, Inc.

66. Промышленные фторорганические продукты, справочник, Химия, Санкт-Петербург, 1996.

67. Honeywell Prepares for First Shipments of Commercially Produced EnovateTM 3000 Blowing Agent // Honeywell news release, August 2002. (www.honeywell.com).

68. Сапожников М.Б., Тимошенко Н.И. Термодинамический анализ паротурбинных циклов с низкокипящими рабочими телами // Деп. в ВИНИТИ 11.02.2005 №200.

69. Теплообменные аппараты холодильных установок. Под ред. Т.Н. Даниловой. 2-е изд., Д., Машиностроение. 1986, 303с.

70. Refrigerants. Application guide. McQuay air conditioning. McQuay International, 2002.

71. Calm J. Property, Safety, and Environmental Data for Alternative Refrigerants // Earth Technologies Forum, Washington D.C.,1998.

72. Выбор параметров и расчет маломощных турбин для привода агрегатов. Н.Н.Быков, О.Н. Емин. М., Машиностроение. 1972, 228с.

73. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М., Энергия, 1969.

74. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках., Наука1982.

75.Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Под ред. ЛебедеваД.П., 2-е изд., Энергия, 1972.

76. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям., Машиностроение, 1975.

77. Теоретические основы теплотехники. КН2. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общ. Ред. Клименко А.В., Зорина В.М., Изд. МЭИ 2001.

78. Барановский А.И., Кожевников Н.Н., Пирадова Н.В. Экономика промышленности. Экономика и управление энергообъектами. КН1. Общие вопросы экономики и управления., Т2., Изд. МЭИ, 1998.

79. Кожевников Н.Н., Басова Т.Ф., Чинакаева Н.С. Экономика промышленности. Экономика и управление энергообъектами. КН2. РАО «ЕЭС Росии». Электростанции. Электрические сети. Т2., Изд. МЭИ, 1998.

80. G. Pernecker, S. Uhlig. Low-enthalpy power generation with ORC-turbogenerator. The Altheim project, Upper Austria // GHC Bulletin, March, 2002, p.26-30.

81. S. Kohler, A. Saadat. Thermodynamic Modeling of Binary Cycles Looking for Best Case Scenarios // Proceedings of International Geothermal Conference, Reykjavik, Sept., 2003, p.14-19.

82. J.A. Borgert, J.A. Velasquez. Exergoeconomic optimisation of a Kalina cycle for power generation // Int. J. Exergy, Vol. 1, No. 1, 2004, p. 18-28.

83. Y. Amano, T. Hashisume, Y. Tanzawa. A hybrid power generation and refrigeration cycle with ammonia-water mixture // Proceedings of International joint power generation conference. Miami Beach, Florida, July 23-26, 2000.

84. R.A. Bajura, M.R. von Spakovsky, E.S. Geskin Eds. Analysis and design of Energy systems: analysis of industrial process // AES-Vol.10-3, p.73-77. ASME.

85. Guideline on the IAPWS Formulation 2001 for the Thermodynamic Properties of Ammonia-Water Mixtures. Bert Rukes, Siemens AG Power Generation. R.B. Dooley, Electric Power Research Institute.

86. E. Thorin, C. Dejfors, G. Svedberg. Thermodynamic Properties of Ammonia-Water Mixtures for Power Cycles // Thirteenth Symposium on Thermophysical Properties, June 22-27, 1997.

87. Кириллин B.A., Шейндлин A.E., Шпильрайн Э.Э. Термодинамика растворов. М., Энергия, 1980.

88. Райзберг Б.А. Диссертация и ученая степень. Пособие для соискателей. М., ИНФРА-М, 2002., 400с.

89. ГОСТ 6.30-97 Требования к оформлению документов. Введен 199801-07.

90. Сапожников М.Б. Разработка и исследование элементов тепловой электрической станции модульного типа на низкокипящем рабочем теле.-М.:2005.

92. Практические рекомендации по оценке эффективности и разработке инвестиционных проектов и бизнес-планов в электроэнергетике (с типовыми примерами). - М.: РАО «ЕЭС России», АО «Научный центр прикладных исследований», 1999.

93. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (вторая редакция) / Министерство экономики РФ; Министерство финансов РФ; ГК по строительству, архитектуре и жилищной политике. - М.: 2000.

94. Методика экспресс-оценки экономической эффективности энергосберегающих мероприятий на ТЭС. - РД 153-34.1-09.321-2002.

95. ГОСТ 21.403-80 Обозначения условные графические в схемах. Оборудование энергетическое. Введен 1980-31-10.

96. Готовский М.А.1, Гринман М.И.2, Фомин В.А.2, Арефьев В.К.1, Григорьев А.А.2. Использование комбинированного пароводяного и органического

циклов Ренкииа для повышения экономичности ГТУ и ДВС. Теплоэнергетика №3,2012 г.

97. Y. Chudnovsky, М. Gotovsky, М. Greenman. Steam organic Rankine cycle for distributed generation and combined heat and power production. Proc. Of 1HTC-14. Washington, 2010.

98. Логинова E.A. Повышение энергоэффективности целлюлозно-бумажного комплекса путем применения паротурбинных установок, работающих на пентане. / Е.А. Логинова // Целлюлоза. Бумага. Картон. -2014. - Выпуск 1. - С. 55-57.

99. Логинова Е.А. Повышение энергоэффективности тепловых электрических станций путем применения паротурбинных установок, работающих на пентане. / Е.А. Логинова // Энергетик. - 2014. - Выпуск 3. - С. 55-56.

100. Логинова Е.А. Тенденции применения низкокипящих рабочих тел. Применение пентана, утилизация тепла, снижение стоимости электрической энергии. / Е.А. Логинова // Приложение к журналу Энергетик. Энергетика за рубежом. - 2012. - Выпуск 5. - С. 49-54.

101. Логинова Е.А. Повышение энергоэффективности тепловых электрических станций путем применения паротурбинных установок, работающих на пентане. / Е.А. Логинова // международная научно-практическая конференция: «Современные тенденции в сервисном обслуживании на предприятиях ЦБП». - СПб, 2013. - С. 31-36.

Список используемых сокращений

ВАРТ - водоаммиачное рабочее тело;

ГеоТЭС -геотермальная тепловая электрическая станция;

ДКД - докритическое давление;

ДП - дистилляционная подсистема;

КПД - коэффициент полезного действия;

КЭУ - комбинированная энергетическая установка;

НРТ - низкокипящее рабочее тело;

ПТС - принципиальная тепловая схема;

ПТУ - паротурбинная установка;

РОУ - редукционно-охладительная установка;

СКД - сверхкритическое давление;

ТС - тепловая схема;

ТЭС - тепловая электрическая станция;

ЭС - электрическая станция.

141