Разработка и исследование элементов тепловой электрической станции модульного типа на низкокипящем рабочем теле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Сапожников, Максим Борисович

• Сапожников, Максим Борисович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сапожников, Максим Борисович

Введение.

Глава I. Анализ проблем применения неводяных рабочих тел в паротурбинных циклах.

1.1. Современное состояние электрических станций на НРТ.

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование элементов тепловой электрической станции модульного типа на низкокипящем рабочем теле»

Актуальность проблемы. В последние годы в связи с ростом цен на энергоресурсы и стремлением к повышению эффективности их использования чрезвычайно актуальными становятся вопросы использования сбросного тепла и энергии возобновляемых источников. Одним из способов эффективного использования таких энергоресурсов является генерация электрической энергии на основе паротурбинных установок (ПТУ) с низкокипящими рабочими телами (НРТ).

В России внедрение экономически эффективных энергосберегающих технологий является одной из основных стратегических задач ОАО «РАО «ЕЭС России», реализация которой выполняется по «Программе энергосбережения на 2005-2015гг.». Широкомасштабное внедрение технологий производства электроэнергии на основе низкокипящих рабочих тел в России имеет большое практическое и научное значение не только для основной энергетической отрасли, но и для промышленной.

В промышленной энергетике России утилизация сбросной теплоты крупных предприятий с выработкой электрической энергии на основе НРТ позволит снизить затраты предприятий на собственные нужды, а также улучшить удельные экологические показатели.

Перспективным представляется использование ПТУ с НРТ на традиционных электростанциях для утилизации тепла уходящих газов котельных агрегатов или для работы в составе бинарных ПТУ. Общепризнанным фактом является совершенствование технологий производства электроэнергии из геотермального тепла, развивающихся по пути применения НРТ.

Цель работы. В то время, как за рубежом накоплен опыт эксплуатации ТЭС на НРТ, в российской энергетике делаются только первые шаги. Поэтому ощущается недостаток опыта проектирования и разработок паротурбинных установок, в первую очередь, на экологически безопасных НРТ. В России уже несколько лет на современном уровне ведется работа по 6 внедрению технологий применения низкокипящих рабочих тел для производства электроэнергии, и, как показывает практика, уже на первых этапах возникает потребность в рекомендациях по проектированию тепловых электрических станций на НРТ. Требуются рекомендации по выбору и расчету параметров тепловых схем и циклов, выбору и определению характеристик основного тепломеханического оборудования. За рубежом в литературных источниках большая часть информации по проектированию энергоблоков на НРТ закрыта по причине интересов компаний, занимающихся их внедрением.

Целью работы являлось исследование структуры и элементов электрических станций, работающих на НРТ, и разработка комплекса рекомендаций для проектирования. Основные задачи сформулированы следующим образом:

- изучение опыта создания и эксплуатации электрических станций с

НРТ;

- разработка рекомендаций по выбору параметров тепловых циклов на

НРТ;

- оценка целесообразности применения различных тепловых схем, в том числе для водоаммиачного рабочего тела;

- исследование характеристик НРТ и создание алгоритма выбора НРТ;

- подтверждение технической и экономической целесообразности внедрения ТЭС с НРТ.

- апробация разработанных рекомендаций на практическом примере.

Научная новизна диссертационной работы:

- новым является комплексный подход к решению задачи выбора низкокипящего рабочего тела, учитывающий современные требования (экология, безопасность, тепловая эффективность и т.д.);

- исследованы новые НРТ, например, R-245fa и эфиры;

- разработаны рекомендации по выбору конфигурации, а также начальных и конечных параметров циклов для различных НРТ, в том числе и водоаммиачного раствора;

- разработан научный подход, с помощью которого удалось выполнить описывание тепловой схемы с дистилляционной подсистемой (ДП) на водоаммиачном рабочем теле и оценить целесообразность ее применения; реализован алгоритм расчета параметров водоаммиачных циклов с применением ЭВМ;

- разработан алгоритм оптимального выбора НРТ, учитывающий современные экологические и технические требования;

- на конкретном примере выполнена апробация разработанных методик и алгоритмов с выполнением конструкторской проработки оборудования (турбины и конденсационного устройства).

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследований и разработанные рекомендации, могут быть использованы, в первую очередь, на этапе проектирования электрических станций на НРТ.

Разработанные рекомендации, алгоритмы и программы являются полезными и удобными инструментами при решении расчетно-теоретических и практических задач и могут быть использованы в учебном процессе.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается полнотой исследований технологий генерации электроэнергии на основе применения НРТ. Работоспособность компьютерных программ и достоверность данных, полученных с их помощью, подтверждены сравнительными расчетами. Апробация разработанных рекомендаций на практических примерах доказала их правомерность.

Личный вклад автора заключается в формировании автором научно-теоретической базы, содержащей данные о ТЭС на НРТ. Разработан комплексный подход по выбору низкокипящего рабочего тела, который учитывает современные требования (экология, безопасность, тепловая эффективность и т.д.), предложен алгоритм выбора НРТ. Автором разработаны рекомендации к выбору параметров и конфигураций тепловых схем. Проведено компьютерное моделирование различных тепловых схем и созданы программные продукты, облегчающие решение задач по расчету тепловых схем и оборудования. Автором выполнена комплексная апробация разработанных методик и алгоритмов с выполнением конструкторской проработки оборудования (турбины и конденсационного устройства) и определением технико-экономических показателей ТЭС на НРТ.

Апробация работы. Материалы, отдельные разделы и основные положения диссертации представлялись и обсуждались на Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов № 8-11 (Россия, г. Москва, март 2002-2005 гг.), на Крымской конференции (г. Крым, 2002г.), на Международных геотермальных конференциях (Греция, о. Милос, 2002 г.; Исландия, г. Рейкьявик, 2003г.), на 1-ой Нижневолжской научно-практической конференции (Россия, г. Волжский, октябрь 2002 г.), на Международном геотермальном семинаре МГС-2003 (Сочи, 2003 г.), на научно-техническом совете ТЭЦ МЭИ (г. Москва, февраль 2003г.), на научно-технических семинарах в АО «Наука» и АО «Геотерм» (г. Москва, 2002-2003 гг.) с участием представителей энергомашиностроительных заводов научных и проектных институтов. Также полученные результаты представлялись на научном семинаре кафедры Тепловых электрических станций МЭИ (г. Москва, октябрь, 2004г.).

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Сапожников, Максим Борисович

выводы

1. На основании проведенного литературного обзора обозначены основные вопросы, возникающие при проектировании элементов ТЭС на НРТ. Выполнен обзорный анализ данных об опыте эксплуатации ТЭС на НРТ. Сформирована научно-техническая база, содержащая сведения о действующих установках, и проектных проработках. Исследован зарубежный опыт применения НРТ.

2. В ходе детального термодинамического анализа циклов тепловых электрических станций на НРТ разработаны рекомендации по выбору оптимальной конфигурации и параметров циклов. Исследования выполнены для широкого круга НРТ с различными характеристиками. Изучены термодинамические характеристики новых, еще не нашедших реального применения рабочих тел.

3. Исследования характеристик НРТ позволили сформулировать основные требования, предъявляемые к рабочим телам. Анализ современных экологических требований и вопросов безопасности позволил разделить НРТ на группы и исключить из рассмотрения неперспективные рабочие тела.

4. Разработан алгоритм выбора низкокипящего рабочего тела. При разработке алгоритма учтены современные требования, предъявляемые к НРТ. Структура алгоритма создана с учетом разнообразия НРТ и их характеристик и позволяет вести процесс выбора рабочего тела с поэтапным исключением неэффективных НРТ на основе технических ограничений.

5. Подробно исследована работающая на водоаммиачном растворе принципиальная тепловая схема ТЭС с применением дистилляционной подсистемы (ДП). На ЭВМ разработана программа, позволяющая рассчитывать параметры тепловой схемы с ДП и анализировать эффективность работы отдельных её участков. Впервые выполнено сравнение данной тепловой схемы с более простой тепловой схемой, в которой концентрация рабочего тела остается неизменной во всех точках. Полученные выводы свидетельствуют о нецелесообразности применения ДП в тепловых схемах с использованием ВАРТ, т.к. происходит увеличение потерь тепла в конденсаторе и снижение эффективности регенерации теплоты отработавшего в турбине пара.

6. Произведена апробация разработанных алгоритмов и рекомендаций по проектированию элементов ТЭС на НРТ. Дополнительно выполнены технические проработки турбин на пентане и водоаммиачном растворе; для проработанных установок предложены способы достижения высоких значений внутреннего относительного КПД.

7. Выполненные в диссертации проработки доказали техническую и экономическую целесообразность внедрения тепловых электрических станций на основе низкокипящих рабочих тел. Отмечено, каким образом может быть получена дополнительная финансовая прибыль за счет экологической чистоты технологий генерации электроэнергии на основе применения НРТ.

8. В ходе проведенных исследований установлено, что тепловые электрические станции с низкокипящими рабочими телами представляют практический и научный интерес для энергетической отрасли России. Исследуемые «бестопливные» технологии перспективны для утилизации сбросного теплота и энергии НВИЭ. Анализ экологических аспектов ТЭС на НРТ свидетельствуют о целесообразности реализации проектов данного рода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сапожников, Максим Борисович, 2005 год

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. 13-15.

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. 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.

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

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

7. A power generating system by low-temperature waste heat recovery //Caddet energy efficiency, September 2002.8. www. ad vanced thermal system s. com

8. J. Lund, T. 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. M. 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.

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

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. Паротурбинные установки 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. К. 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. 1-11. (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, A.JI. 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. UNITAPI/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. Г.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. Лебедева Д.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 В.А., Шейндлин А.Е., 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. ГОСТ 21.403-80 Обозначения условные графические в схемах. Оборудование энергетическое. Введен 1980-31-10.