WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ Тема работы ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОРГАНИЧЕСКОГО ЦИКЛА РЕНКИНА С ВОЗДУШНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ УДК 621.175 Студент Группа ФИО Подпись Дата 5БМ4Б ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт: Энергетический

Направление подготовки 130401 Теплоэнергетика и теплотехника

Кафедра Атомных и тепловых электростанций

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

Тема работы

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОРГАНИЧЕСКОГО ЦИКЛА РЕНКИНА С ВОЗДУШНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ

УДК 621.175 Студент Группа ФИО Подпись Дата 5БМ4Б Старновский Вячеслав Александрович Руководитель Ученая степень, зваДолжность ФИО Подпись Дата ние доцент кафедры Н.Н. Галашов к.т.н., доцент АТЭС

КОНСУЛЬТАНТЫ:

По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»

Ученая степень, Должность ФИО Подпись Дата звание доцент кафедры А.А. Фигурко к.э.н., доцент менеджмента По разделу «Социальная ответственность»

Ученая степень, Должность ФИО Подпись Дата звание доцент кафедры М.В. Василевский к.т.н., доцент экологии и безопасности жизнедеятельности Нормоконтроль Ученая степень, Должность ФИО Подпись Дата звание ст. преподаватель каМ.А.Вагнер федры атомных и теп- ловых электростанций

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ:

Ученая степень, Зав. кафедрой ФИО Подпись Дата звание атомных и тепловых А.С. Матвеев к.т.н., доцент электростанций Томск – 2016 г .

Запланированные результаты обучения по программе Код Результат обучения резуль- (выпускник должен быть готов) тата

–  –  –

Осуществлять коммуникации в профессиональной среде и в обществе в целом, в том Р1 числе на иностранном языке, разрабатывать документацию, презентовать и защищать результаты комплексной инженерной деятельности .

Эффективно работать индивидуально и в коллективе, в том числе междисциплинарном, Р2 с делением ответственности и полномочий при решении комплексных инженерных задач .

Демонстрировать личную ответственность, приверженность и следовать профессиоР3 нальной этике и нормам ведения комплексной инженерной деятельности с соблюдением правовых, социальных, экологических и культурных аспектов .

Анализировать экономические проблемы и общественные процессы, участвовать в обР4 щественной жизни с учетом принятых в обществе моральных и правовых норм .

К достижению должного уровня экологической безопасности, энерго- и ресурсосбереР5 жения на производстве, безопасности жизнедеятельности и физической подготовленности для обеспечения полноценной социальной и профессиональной деятельности .

Осознавать необходимость и демонстрировать способность к самостоятельному обуР6 чению в течение всей жизни, непрерывному самосовершенствованию в инженерной профессии, организации обучения и тренинга производственного персонала .

–  –  –

Применять базовые математические, естественнонаучные, социально-экономические Р7 знания в профессиональной деятельности в широком (в том числе междисциплинарном) контексте в комплексной инженерной деятельности в производстве тепловой и электрической энергии .

Анализировать научно-техническую информацию, ставить, решать и публиковать реР8 зультаты решения задач комплексного инженерного анализа с использованием базовых и специальных знаний, нормативной документации, современных аналитических методов, методов математического анализа и моделирования теоретического и экспериментального исследования .





Проводить предварительное технико-экономическое обоснование проектных разрабоР9 ток объектов производства тепловой и электрической энергии, выполнять комплексные инженерные проекты с применением базовых и специальных знаний, современных методов проектирования для достижения оптимальных результатов, соответствующих техническому заданию с учетом нормативных документов, экономических, экологических, социальных и других ограничений .

Проводить комплексные научные исследования в области производства тепловой и Р10 электрической энергии, включая поиск необходимой информации, эксперимент, анализ и интерпретацию данных, и их подготовку для составления обзоров, отчетов и научных публикаций с применением базовых и специальных знаний и современных методов .

Использовать информационные технологии, использовать компьютер как средство раР11 боты с информацией и создания новой информации, осознавать опасности и угрозы в развитии современного информационного общества, соблюдать основные требования информационной безопасности .

Выбирать и использовать необходимое оборудование для производства тепловой и Р12 электрической энергии, управлять технологическими объектами, использовать инструменты и технологии для ведения комплексной практической инженерной деятельности с учетом экономических, экологических, социальных и других ограничений .

Специальные профессиональные

Участвовать в выполнении работ по стандартизации и подготовке к сертификации техниР13 ческих средств, систем, процессов, оборудования и материалов теплоэнергетического производства, контролировать организацию метрологического обеспечения технологических процессов теплоэнергетического производства, составлять документацию по менеджменту качества технологических процессов на производственных участках .

Организовывать рабочие места, управлять малыми коллективами исполнителей, к разР14 работке оперативных планов работы первичных производственных подразделений, планированию работы персонала и фондов оплаты труда, организовывать обучение и тренинг производственного персонала, анализировать затраты и оценивать результаты деятельности первичных производственных подразделений .

Использовать методики испытаний, наладки и ремонта технологического оборудования Р15 теплоэнергетического производства в соответствии с профилем работы, планировать и участвовать в проведении плановых испытаний и ремонтов технологического оборудования, монтажных, наладочных и пусковых работ, в том числе, при освоении нового оборудования и (или) технологических процессов .

Организовывать работу персонала по обслуживанию технологического оборудования Р16 теплоэнергетического производства, контролировать техническое состояние и оценивать остаточный ресурс оборудования, организовывать профилактические осмотры и текущие ремонты, составлять заявки на оборудование, запасные части, готовить техническую документацию на ремонт, проводить работы по приемке и освоению вводимого оборудования .

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Энергетический Направление подготовки 140100 Теплоэнергетика и теплотехника Кафедра «Атомных и тепловых электростанций»

–  –  –

Магистерская диссертация 136 c., 59 рис., 15 табл., 30 источников, 5 прил .

Ключевые слова: ВОЗДУШНАЯ КОНДЕНСАЦИОННАЯ УСТАНОВКА, ОРГАНИЧЕСКИЙ ЦИКЛ РЕНКИНА, ЭНЕРГЕТИКА, ПАРОВОЗДУШНАЯ СМЕСЬ .

Объектом исследования является органический цикл Ренкина с воздушным конденсатором .

Цель работы – исследование зависимости показателей органического цикла Ренкина с воздушным конденсатором от начальных и конечных параметров цикла для различных рабочих веществ (бутан, пентан, изобутан, изопентан, R245fa, R236fa, аммиак) .

В процессе исследования проводился теоретический анализ литературных данных по органическому циклу Ренкина и воздушным конденсационным установкам, была смоделирована математическая модель органического цикла Ренкина с воздушным конденсатором (модель составлена в MS Excel с использованием программы REFPROP 9.1) .

На основе математической модели был произведен расчет внутреннего КПД цикла в зависимости от начальных и конечных параметров вещества .

В результате исследования был получен анализ рабочих органических веществ относительно наивысшего получаемого внутреннего КПД цикла (анализ был произведен с оценкой для каждого рабочего тела, а также в общем виде на выявления наиболее подходящего рабочего тела для рассматриваемого цикла) .

Степень внедрения – данная работа имеет чисто теоретическое значение и является материалом для дальнейшего практического внедрения органического цикла Ренкина .

Область применения – органический цикл Ренкина с воздушным конденсатором имеет широкий спектр применения, его используют в энергетике в качестве второго контура для различных установок с применением утилизационного котла, также он применяется в альтернативной энергетике (геотермальной, солнечной, при сжигании биомассы) .

Экономическая эффективность – в работе приводится расчет проекта по разработке органического цикла Ренкина с воздушным конденсатором, а также анализ слабых и сильных сторон потенциального проекта установки с использованием данного цикла .

Метод исследования – теоретический .

–  –  –

В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:

Органический цикл Ренкина (ОЦР): термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью низкокипящих органических веществ .

Воздушная конденсационная установка (ВКУ): теплообменный аппарат, использующий в качестве охлаждающей среды – воздух .

Турбина: ротационный двигатель с непрерывным рабочим процессом и вращательным движением рабочего органа (ротора), преобразующий кинетическую энергию и/или внутреннюю энергию рабочего тела (пара, газа, воды) в механическую работу .

Регенеративный теплообменник: разновидность теплообменного устройства, в котором горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочередно .

Калорифер: прибор для нагревания воздуха, состоящий из труб, по которым циркулирует горячая вода, пар или горячий воздух .

Котел-утилизатор: котел, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара, посредством утилизации теплоты, выделяющейся в других установках .

Введение

В современном мире существует большое разнообразие установок (циклов) предназначенных для генерации тепловой и электрической энергии. В данной работе будет рассмотрен один из самых перспективных циклов – органический цикл Ренкина с воздушным конденсатором. Его перспективность объясняется широким спектром применения и относительно невысокой стоимостью. Также данный цикл представляет интерес за счет того, что используется в качестве вторичного контура в составе с другими циклами, в частности его использование позволяет добиться утилизации промышленных отходов, что в современном мире является важной проблемой. Повышение экологичности цикла позволяет добиться использование воздушных конденсаторов. Также воздушные конденсаторы способствуют повышению спектра рабочих конечных температур. Все это делает органический цикл Ренкина с воздушным конденсатором конкурентной разработкой требующей отдельного внимания .

Задачи работы:

– анализ научно-технической литературы по вопросу применения воздушных конденсаторов и органического цикла Ренкина;

– разработка математической модели органического цикла Ренкина с воздушным конденсатором;

– реализация расчетной модели в MS Excel с подключением REFPROP 9.1 .

Цель работы – исследование зависимости показателей органического цикла Ренкина с воздушным конденсатором от начальных и конечных параметров цикла для различных рабочих веществ (бутан, пентан, изобутан, изопентан, R245fa, R236fa, аммиак) .

В результате выполнения работы планируется получить следующие результаты:

– математическую модель органического цикла Ренкина с воздушным конденсатором;

– графические зависимости внутреннего КПД исследуемого цикла от начальных и конечных параметров;

– анализ полученных результатов на определение наиболее эффективных (неэффективных) рабочих веществ .

–  –  –

Рассматриваемый органический цикл Ренкина (ОЦР) во многом похож на традиционный пароводяной цикл Ренкина. Главным отличием является то, что вместо воды в нем используется органическое рабочее тело с низкой температурой кипения (бутан, пентан, аммиак и т.д.). Данная особенность рабочего тела позволяет утилизировать низкопотенциальную энергию (с температурой источника от 70 oС до 300 oС) [1] .

На рисунке 1 представлена простейшая схема данного цикла. Насос закачивает рабочее тело в жидком состоянии в нагреватель, где при высоком давлении оно превращается в пар, далее пар направляется в турбину, где расширяясь, совершает работу. При этом вал турбины вращается и приводит в действие электрогенератор. После отработавший пар попадает в конденсатор, где происходит его охлаждение и последующая конденсация. В данном случае мы видим, что представленный цикл ничем не отличается от классического цикла Ренкина (за исключением рабочего тела) .

–  –  –

В схеме на рисунке 2 в цикл добавляется новый элемент. Данный элемент носит название – регенератор. Рабочее тело на выходе из турбины попадает в регенератор, где отдает часть тепловой энергии сжатой жидкости, которая направляется в нагреватель .

<

–  –  –

Введение регенератора обусловлено тем, что многие вещества с низкой температурой кипения на выходе из турбины попадают в область перегретого пара (см. рисунок 3) и обладают достаточным тепловым потенциалом .

–  –  –

Очень часто тепловая энергия от источника тепла к рабочему телу передается за счет использования промежуточного теплоносителя, в качестве которого обычно применяется термально масло. Использование промежуточного теплоносителя позволяет избежать локального перегрева рабочего тела. Схема данного цикла представлена на рисунке 4 .

Рисунок 4 – Схема ОЦР с промежуточным теплоносителем [1] 1.1.2 Типовая схема электростанции, работающей на ОЦР Для примера рассмотрим типовую схему установки, работающей по ОЦР на пентане [6]. Основная часть такой установки – это термомасляный утилизационный котел, турбодетендер с электрогенератором и различные теплообменные блоки (испаритель, подогреватель, рекуператор и воздушный конденсатор) .

Преимущества пентановой электростанции перед паросиловым циклом [6]:

– не требуется вода для технологии вместо нее используются незамерзающие жидкости (пентан, термическое масло);

– отсутствует сложное паротурбинное оборудование (паровые котлы, ХВО, турбины, деаэраторы и т.д.);

– не требуется оперативный персонал (станция работает в автоматическом режиме);

– системы могут работать на открытом воздухе (до температуры минус 50 oC);

Схема установки представлена на рисунке 5 [6] .

–  –  –

Основное достоинство ОЦР – простота реализации, дешевизна оборудования, эффективность, а также возможность адаптации данного цикла к различным источникам тепловой энергии .

ОЦР можно использовать в составе солнечных электрических станций с изогнутыми зеркалами, которые могли бы осуществлять, нагрев органического тела с его последующей работой в ОЦР. Также ОЦР можно использовать для опреснения морской воды. В данном случае турбина приводит в действие установку обратного осмоса, а солнечная энергия обеспечивает нагрев рабочего тела в ОЦР [17] .

Часто реализуют схему использования ОЦР с геотермальными источниками. Температура воды геотермальных источников разнится от нескольких десятков градусов до 300 oС. Как правило, нижняя температурная граница, при которой имеет смысл использование теплоты геотермального источника должна быть не ниже 80 oC. Данный цикл представлен на рисунке 6 [1] .

Рисунок 6 – Схема установки с ОЦР, использующей геотермальную энергию [1]

Вода из геотермального источника посредством насоса подается в теплообменник-испаритель, где происходит нагрев и испарение рабочего тела. После чего вода закачивается обратно в землю .

Наиболее эффективным способом применения ОЦР является его применение на тепле, полученном за счет утилизации промышленных отходов, биомассы. В данном случае стоимость отработавшего материала (отходов) значительно ниже стоимости горючих ископаемых. Многочисленные исследования показывают, что существует довольно много промышленных производств с неиспользуемыми запасами тепловой энергии. Очень энергоемким является производство цемента. Примерно 12-15 % общего количества энергии приходится на этот сектор экономики, при этом до 15 % энергии топлива рассеивается в окружающую среду. Выгодно использование ОЦР в составе ПГУ, а также на нефтеперерабатывающих заводах [1] .

Сочетание котла утилизатора и ОЦР определенно можно считать преимуществом .

Мощность установок, работающих на подобном цикле обычно не превышает 6-10 МВт, из которых доля электричества 1-2 МВт. Для таких мощностей применение традиционного цикла Ренкина нецелесообразно [1] .

Рассмотрим ОЦР использующий тепло утилизации биомассы (см. рисунок 7) .

Тепловая энергия, полученная за счет сгорания биотоплива через теплообменник, предается промежуточному теплоносителю (термально масло), при этом температура в теплообменнике изменяется от 150 oC до 320 oC. После тепло при помощи промежуточного теплоносителя передается в ОЦР, где служит для испарения рабочего тела. Далее рабочее тело, расширяясь в турбине и вырабатывая за счет вращения ротора электроэнергию проходит через рекуператор, подогревая рабочее тело в жидком состоянии, и охлаждается в конденсаторе. Охлаждающая вода из конденсатора может быть использована для бытовых целей. Чтобы потери энергии продуктов сгорания биотоплива были минимальны, желательно максимально охладить их потоками рабочего тела и входящего воздуха .

Именно для этих целей используются экономайзер и предварительный нагреватель воздуха [1] .

<

Рисунок 7 – Схема установки ОЦР с утилизацией биомассы [1]

В [1] установлено, что наиболее выгодным является использование биотоплива в виде паллет, которые получают из древесины и различных видов биомассы. Стоит отметить, что для генерации электричества можно использовать не только биотопливо, но и биогаз состоящий, как правило, из CO, CO2, CH4, H2. По результатам исследований [1] установлено, что около 18 % химической энергии топлива превращается в электричество, примерно 70 % уходит на нагрев воды и лишь 12 % выбрасывается в окружающую среду с продуктами сгорания .

Рассмотрим парогазовую установку с утилизацией остаточной теплоты в ОЦР (см .

рисунок 8) [2] .

Рисунок 8 – Схема ПГУ с регенеративной ГТУ и утилизацией остаточной теплоты рекуператора в энергоустановке на декафторбутане [2] Установка данного типа позволяет получить КПД, существенно превышающие 50 % [2]. Выбор декафторбутана (C4F10) в качестве рабочего тела обусловлен низким давлением конденсации при температуре 20 oC. Вся энергоустановка состоит из двух контуров .

В данном случае в первом контуре установки происходит сжигание газа и выработка электроэнергии в газотурбинном цикле. Отработавшие в турбине газы направляются в утилизационную установку, где передают тепло рабочему телу второго контура. Во втором контуре реализуется рассмотренный выше ОЦР .

Также широко применяют ОЦР в составе с двигателем внутреннего сгорания. при этом термическая эффективность ДВС возрастает с 28,9 % до 32,7 %. В [1] установлено, что при использовании установки ДВС+ОЦР около 75 % дымовых газов и 9,5 % энергии охлаждающей воды можно превратить в полезную работу .

1.1.4 Выбор рабочего тела

Ключевое значение при разработке ОЦР имеет выбор рабочего тела в связи с низкими температурами в цикле. Из-за низкой температуры наблюдается снижение эффективности теплоотдачи. Теплоотдача очень сильно зависит от термодинамических свойств жидкости .

При выборе рабочего тела необходимо учитывать следующие характеристики жидкостей [1, 3, 20]:

– для рабочего диапазона температур удельная работа цикла должна быть максимальной (желательно, чтобы теплота испарения рабочего тепла была как можно больше);

– высокая теплота парообразования и плотность (жидкость с высокой скрытой теплотой парообразования и плотностью будет поглощать больше энергии от источника тепла в испарителе и тем самым уменьшит скорость потока, что в свою очередь приводит к увеличению размеров расширительного и вспомогательного оборудования);

– низкая вязкость жидкой и паровой фаз;

– высокая теплопроводность рабочего тела (данное свойство позволит обеспечить эффективный нагрев и охлаждение его в теплообменниках);

– давление насыщенных паров рабочего тела в цикле Ренкина не должно быть ни слишком большим, ни очень маленьким, поскольку в противном случае могут возникнуть проблемы создания вакуума и обеспечения прочности и герметичности трубопроводов и арматуры;

– термическая стабильность в области высоких температур;

– вещество не должно замерзать во всем диапазоне рабочих температур;

– рабочее тело не должно быть токсичным и легковоспламеняющимся, а попадание его в окружающую среду не должно вызывать загрязнения;

– дешевизна и доступность рабочего тела .

1.1.5 Сравнение ОЦР и парового цикла Ренкина

На рисунке 9 представлена T-S – диаграмма линий насыщения воды и некоторых органических рабочих тел, которые часто используются в ОЦР. Из рисунка видно, линия насыщения водяного пара имеет отрицательный наклон (убывает с ростом энтропии) .

Для многих органических веществ эта кривая практически вертикальна. Из-за этого в конце процесса расширения пар остается в перегретом состоянии, т.е. не возникает проблемы влажного пара, которая существенна для паротурбинного цикла и решается за счет перегрева пара. Но стоит также отметить, что и для некоторых органических веществ свойственен (например, аммиак) отрицательный наклон линии насыщенного пара. Для таких рабочих тел также осуществляется перегрев [1] .

Рисунок 9 – T-S – диаграмма воды и некоторых органических рабочих тел [1]

Из рисунка 9 видно, что энтальпия испарения воды существенно выше энтальпии испарения органических рабочих тел, в связи с этим удельная работа цикла с использованием органического вещества относительно мала. Для повышения мощности установки, работающей по ОЦР, необходимо увеличивать массовую скорость рабочего тела, что, в свою очередь, увеличивает мощность, потребляемую насосом .

С другой стороны, малая энтальпия испарения органических тел, позволяет использовать простые конструкции установок. В настоящие время в таких установках применяются, как правило, одно- и двухступенчатые турбины. Кроме того, следствием малой энтальпии испарения является относительно небольшая скорость вращения турбины, что позволяет соединять вал турбины с электрогенератором напрямую, без передаточного механизма .

В таблице 1 приведены термодинамические свойства воды и некоторых других веществ, используемых в ОЦР .

Таблица 1 – Термодинамические свойства некоторых рабочих тел ОЦР [1]

Таким образом, основные преимущества ОЦР [6, 20]:

– использование энергии с относительно низкой температурой

– относительно высокий КПД турбины при частичной нагрузке;

– низкая частота вращения, позволяющая применять прямой привод генератора;

– незначительный износ турбины;

– более низкая механическая и температурные нагрузки;

– простота обслуживания оборудования;

– длительный срок службы оборудования за счет относительно низкой частоты вращения, а также низких значений давления и температуры;

– замкнутый цикл работы без какой-либо химической обработки рабочего тела;

– относительно небольшая площадь для размещения установки;

– относительно низкий уровень шума (наиболее высокое излучение шума имеют капсульные генераторы – около 85 дБ(А) на расстоянии 1 м) .

Выделим основные недостатки ОЦР [6]:

– относительно невысокая эффективность устройства;

– ограниченно использование остаточного тепла;

– максимальная температура источника тепла ограничена химической устойчивостью рабочего тела (поскольку оно подвергается разложению при высоких температурах) .

1.1.6 Перспективы развития ОЦР

Используемые в настоящее время установки с ОЦР, как правило, относительно просты, они работают в докритическом диапазоне температур и давлений рабочего тела, в качестве которого применяется чистое вещество [1] .

Продолжающиеся поиски веществ, которые можно использовать в качестве рабочих тел перспективных установок, позволяют надеяться на повышение эффективности термодинамического цикла, снижения стоимости эксплуатации установки и расширение областей применения ОЦР. Для теоретического изучения физико-химических свойств веществ в окрестности критической точки широко применяются уже существующие и создаются новые уравнения состояния реального газа [1] .

Сегодня известен ряд фирм, которые занимаются исследованием и серийным выпуском установок, работающих по ОЦР. К ним можно отнести итальянскую Turbden srl, американскую Ormat Technologies inc, немецкие ADORATEC GmbH, GMK GmbH. Основное направление деятельности этих фирм – получение электроэнергии от геотермальных источников тепла, использование вторичного тепла, а также сжигание биотоплива [5] .

В России первый заказ на реализацию ОЦР поступил от Лукойл в 2010 году. Лукойл оформила заказ установки у итальянской фирмы TURBODEN. Установка TURBODEN 18 использует тепло попутного газа, получаемого при нефтедобыче путем его контролируемого сжигания. Установка имеет мощность 1800 кВт, электроэнергия используется добывающей станцией, также осуществляется производство тепла. Горячая вода используется для разогрева добываемой нефти. Всего в России фирмой TURBODEN реализовано уже 5 проектов по использованию ОЦР из более чем 200 проектов по всему миру [5] .

Больших успехов в утилизации остаточного тепла посредством ОЦР добилась Французская фирма ENERTIME и ENOGIA, активно реализующие проекты в областях утилизации промышленного тепла с температурами от 130 oC, выработкой электроэнергии как большой мощности (установки ORCHID ENERTIME до 1 МВт), так и малой мощности (установка Power Pack ENOGIA от 5 до 100 кВт) [5] .

В таблице 2 представлены параметры установок, производимых ENERTIME для утилизации тепла на мусороперерабатывающих предприятиях .

Таблица 2 – Установки утилизации тепла от сжигания мусора с ОЦР [5]

1.2 Воздушные конденсационные установки 1.2.1 Общие сведения о воздушных конденсационных установках Конденсационные установки с воздушным охлаждением (ВКУ) получают все большее распространение в современном мире. В первую очередь это связанно с дефицитом охлаждающей воды. Немалую роль также играет тепловое загрязнение рек и естественных водоёмов, обусловленное работой поверхностных конденсаторов. Кроме того, значительные расходы подпиточной воды – весьма серьёзная проблема для районов Севера, Средней Азии, где источники водоснабжения ограничены. Все эти факторы стимулируют развитие ВКУ .

В энергетике применяется три типа схем ВКУ [7]:

– с конденсацией отработавшего пара внутри труб с наружным оребрением, охлаждаемых окружающим воздухом (рисунок 10, а);

– с использованием конденсатора смесительного типа и охлаждением воды окружающим воздухом в оребренной поверхности теплообмена (рисунок 10, б);

– с использованием обычных поверхностных конденсаторов, для которых охлаждающая вода подаётся из теплообменника, охлаждаемого воздухом (рисунок 1, в) .

Конструктивно ВКУ можно классифицировать по нескольким признакам [7]:

– характеру циркуляции воздуха (естественная, принудительная);

– по ориентации оси вентилятора (горизонтальная, вертикальная);

– расположение вентилятора (нижнее, верхнее) .

В таблице 3 представлены наиболее распространенные варианты конструктивного оформления ВКУ .

Таблица 3 – Конструктивное оформление ВКУ [7] Стоит отметить, что наибольшее распространение получили ВКУ с принудительной циркуляцией вертикальной осью вращения шатрового типа [1] .

Рисунок 10 – Схемы ВКУ 1 – паровая турбина; 2 – верхний коллектор (входной); 3 – модули ВКУ (поверхности теплообмена); 4 – нижний коллектор (выходной); 5 – конденсатосборник (для случая а

– смесительный конденсатор, в – поверхностный конденсатор); 6 – конденсатный насос; 7 – воздухоудаляющее устройство; 8 – циркуляционный насос; 9 – расширительный бак; I – пар; II – конденсат; III – паровоздушная смесь; IV – циркуляционная вода; V – охлаждающий воздух [7]

При проектировании ВКУ большое значение имеют следующие факторы [8]:

– наличие коллекторного эффекта, влияющего на расходы пара, поступающего в теплообменные модули;

– скорость течения воздуха в межтрубном пространстве и его влажность;

– температура охлаждающего воздуха на входе в трубный пучок и выходе из него;

– организация течения конденсирующегося пара внутри труб;

– расход пара (тепловая мощность);

– наличие участков теплообменной поверхности, заполненных парогазовой смесью с высокой концентрацией неконденсирующихся газов;

– характеристика эжекторов;

– расход неконденсирующихся газов, поступающих в конденсатор;

– наличие и направление ветра .

Анализ применяемых в энергетической промышленности ВКУ и их эксплуатационных характеристик, позволил выявить наиболее существенные недостатки, сдерживающие более широкое внедрение ВКУ [9]:

– возможность переохлаждения конденсата при низких температурах окружающего воздуха;

– необходимость орошения поверхности теплообмена при высоких температурах окружающего воздуха для углубления вакуума;

– вероятность снежного заноса и обледенения нижних частей труб;

– большая площадь, занимаемая ВКУ;

– необходимость периодической очистки поверхности теплообмена от отложений на ребрах и трубах;

– низкая сейсмостойкость;

– необходимость очистки лопастей вентилятора от загрязнений;

– неравномерная конденсация отработавшего пара по глубине труб .

Главным конкурентом ВКУ является система водяного охлаждения отработавшего в турбине пара.

Приведем ее недостатки [9]:

– высокие капиталовложения в строительство конденсаторов подобного типа;

– высокая температура и низкое качество охлаждающей воды;

– наличие системы водоподготовки для подпитки контура системы технического водоснабжения;

– отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду;

– необходимость сооружения дорогостоящих градирен, брызгальных бассейнов или обязательного наличия природных источников воды рядом с ТЭС .

Положительные стороны использования ВКУ определяется [9]:

– независимостью местоположения электростанции от источника водоснабжения;

– отсутствием экологического загрязнения окружающей среды парами и капельной влагой;

– отсутствием дорогостоящих градирен;

– снижением образования отложений в виде накипи и биообразований в теплообменном оборудовании;

– повышением надежности функционирования теплоэнергетического оборудования и энергоблока в целом;

– более высокой технологичностью, которая определяется модульной поставкой ВКУ, заводской сборкой её элементов;

– сокращением сроков строительства электростанции за счет блочной поставки ВКУ;

– практически полным отсутствием возможности заброса конденсата в проточную часть турбины;

– возможностью автономного вывода в ремонт любой секции без отключения ВК в целом, что повышает надежность функционирования турбоустановки .

Наглядное представление о ВКУ дает рисунок 11 .

Рисунок 11 – Принципиальная схема одноходовой ВКУ и теплообменного модуля [10] Пар из коллектора подвода пара поступает в теплообменные оребренные трубы, в которых происходит его конденсация. Конденсат откачивается конденсационным насосом (на рисунке 2 не указан), а паровоздушная смесь (ПВС) – водоструйным эжектором .

1.2.2 Решение основных проблем, выявленных при эксплуатации ВКУ. Конструкции современных ВКУ Рассмотрим принципиальную схему ВКУ шатрового типа с вертикальной осью вращения вентилятора [12]. Модули данной конструкции имеют вертикальное или наклонное положение. Отработавший пар подается в трубы из расположенного сверху коллектора, а неконденсирующиеся газы и конденсат удаляются из нижнего коллектора .

Течение пара в трубах – нисходящие. Тяга воздуха, поперечно омывающего трубы снаружи, искусственная (за счет вентиляторов) или естественная (вытяжные башни) .

Рисунок 12 – Модуль одноступенчатого воздушного конденсатора 1 – парораспределительный коллектор; 2 – коллектор отвода конденсата; 3 – отвод паровоздушной смеси; 4 – холодный воздух; 5 – подогретый воздух; 6 – зона конденсации; 7 – зона охлаждения паровоздушной смеси и конденсата; 8 – в конденсатосборник [12] В результате нагрева воздуха температурный напор пар-воздух понижается в направлении его движения в пучке, соответственно увеличивается протяженность участка трубы, в пределах которого происходит активная конденсация пара: этот участок оказывается наименьшим со стороны входа в пучок холодного воздуха и наибольшим со стороны выхода подогретого воздуха. Ниже участка активной конденсации трубы оказываются заполненными паровоздушной смесью с малой концентрацией пара, и температура стекающего здесь конденсата понижается, приближаясь к температуре охлаждающего воздуха. При отрицательных температурах наружного воздуха в таких зонах возможно образование льда [12] .

Некоторое выравнивание тепловой нагрузки труб, расположенных по пути движения воздуха, может быть достигнуто путем изменения степени их оребрения .

Кроме того, для предотвращения замерзания конденсата в холодное время, применяется конструкция с двумя ступенями конденсации (рисунок 13) [12] .

Рисунок 13 – Конструкция двухступенчатого воздушного конденсатора 1 – отработавший пар; 2 – парораспределительный коллектор; 3 – модули первой ступени конденсации; 4 – модуль второй ступени конденсации; 5 – коллектор перепуска пара и отвода конденсата; 6 – нагнетательный вентилятор; 7 – в конденсатосборник; 8

– эжектор [12] Двухступенчатый ВКУ имеет Л-образные модули двух типов, последовательно включенные по паровой стороне .

Модули первой ступени рассчитываются на конденсацию примерно 85 % поступающего в трубы пара. При спутном движении в них пара и конденсата температура последнего остается при всех режимах положительной. Оставшийся несконденсировавшийся пар перепускается по расположенному снизу коллектору в противоточные модули второй ступени. Здесь пар, поступая в трубы снизу, навстречу стекающему в нижний коллектор конденсату, подогревает его. Конденсат стекает из нижнего коллектора в конденсатосборник, а несконденсировавшиеся газы отсасываются из верхней части этого модуля эжектором. Стоит отметить, что существуют конструкции двухступенчатых ВКУ в которых модули расположены горизонтально [21] .

Также для решения проблемы образования твердой фазы в трубках ВКУ применяют [7]:

– рециркуляция охлаждающего воздуха с выхода на вход в ВКУ, что позволяет сместить образование твердой фазы в теплообменных пучках;

– отключение части вентиляторов, изменение угла атаки лопастей или уменьшение оборотов электродвигателя;

– введение в схему различного вида жалюзей с регулируемой степенью открытия;

– подача дополнительного пара в зону потенциального образования льда .

При образовании твердой фазы в трубах должна предусматриваться деформация (расширение в направлении оси сечения) без заметного утонения и разрушения стенки .

Важной проблемой при эксплуатации ВКУ является неравномерная конденсация пара по глубине трубок модуля. Как уже было замечено ранее, в первых трубках по ходу холодного воздуха протяженность активной конденсации пара наименьшая, конденсация 60-70 % пара осуществляется в верхней части трубы, а в нижней части происходит переохлаждение конденсата. Тогда как в последних по ходу воздуха трубах имеет место неполная конденсация пара. В итоге поверхность первых труб используется неэффективно и возникает опасность замерзания конденсата [13] .

Этот недостаток предлагается устранить путем установки дроссельных шайб или вытесняющих стержней в последних по ходу воздуха рядах труб, повышающих гидравлическое сопротивление этих труб и, следовательно, увеличивающих расходы пара в их первых рядах [9] .

Конструкции секционных аппаратов такого типа показаны на рисунке 14 .

Рисунок 10 – Конструкции аппаратов ВКУ типа ABC GI а – с дроссельными шайбами; б – с вытесняющими стержнями; в – с дополнительным охлаждением парогазовой смеси [7] При необходимости компенсации недовыработки электроэнергии в жаркое время, при отсутствии резервной мощности и невозможности ее получения от другой энергосистемы могут быть применены следующие способы уменьшения давления, отработавшего пара [12]:

– понижение температуры поступающего в конденсатор воздуха путем впрыска в забираемый атмосферный воздух осветленной и умягченной воды, испаряющейся перед поступлением воздуха в вентилятор (или трубный пучок);

– использование для конденсации части отработавшего пара специально сооруженного для этого вспомогательного контура водоснабжения с охлаждаемым водой поверхностным конденсатором и обычной вентиляторной градирней испарительного типа .

Оба способа требуют дополнительных затрат и подачи воды для покрытия ее потери на испарение .

1.2.3 Применения ВКУ в энергетике

В энергетике ВКУ долгое время использовались только для паровых турбин малой мощности – от 1 до 15 МВт. Но впоследствии их влияние на энергетику увеличилось. Уже в 1970 году ВКУ были применены для более мощной станции – 160 МВт (ТЭС Утриллас, Испания). Конденсатор был изготовлен фирмой GEA (Германия). Надежная бесперебойная работа ВКУ на станции подобной мощности, дала развитие воздушным конденсаторам по всему миру [6] .

В настоящие время ВК работают в Южной Африке на шести турбинах мощностью 665 МВт на ТЭС Матимба и шести турбинах мощностью до 657 МВт на ТЭС Майуба .

Фирма “Бальке-Дюрр” (Германия) поставили ВК для турбин мощностью 150 МВт на ТЭС Тусс (Иран). Активное участие в развитии и производстве ВКУ принимает американская фирма “С-Е Люммас”, японский концерн “Мицубиси” и др. [6]. Также поставку систем отвода тепла от ПТУ с использованием ВКУ осуществляют GEA GI, SPIG S.p.A, BRONSWERK HEAT TRANSFER BV и др. [7] .

В таблице 4 приведены характеристики упомянутых выше установок .

Таблица 4 – Технические характеристики воздушных конденсаторов [6]

На данный момент ВКУ применяются различных областях промышленности [13]:

– в теплоэнергетике в качестве конденсаторов;

– в газовой промышленности в качестве охладителей масла и природного газа после сжатия на газокомпрессорных станциях;

– в нефтеперерабатывающей и химической промышленности;

– в атомной энергетике для систем аварийного расхолаживания ядерных реакторов;

– в кондиционерах и калориферах различного типа и назначения .

В России также применяются ВКУ. В частности, производство модулей ВКУ осуществляется на Калужском турбинном заводе. ВКУ уже сейчас работают на многих ТЭС и других производствах европейской части России (Адлерская ТЭЦ, Веохне-Мутновская ГеоЭС, газоперекачивающая станция ООО “Мострансгаз” и др.) [10] .

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение Экономическая часть исследовательской работы будет представлена в виде определения затрат на проведение данных исследований. На первом этапе составим календарный план проекта .

–  –  –

где ЗП0 = 14500 рублей – месячный оклад инженера 10 разряда;

K1 = 1,1 (10 %) – коэффициент учитывающий отпуск;

K 2 = 1,3 (30 %) – районный коэффициент .

–  –  –

Составим портрет потребителя результатов исследовательской работы. В первую очередь данный проект должен вызвать интерес у предприятий производственного сектора, таких как деревоперерабатывающие предприятия, мусоросжигающие предприятия и т.п. Их интерес должен обуславливаться возможностью того, что использование органического цикла Ренкина в составе с котлом-утилизатором позволит перейти на собственную генерацию электрической энергии без подключения к городским сетям, таким образом делая сжигание отходов производства куда более эффективным .

Для того, чтобы оценить дальнейшее развитие проекта составим матрицу SWOTанализа для потенциальной установки, работающей на органическом цикле Ренкина с воздушным конденсатором (см. приложение Г) .

По результатам SWOT-анализа выделим наиболее проблемный аспект проекта – отсутствие спроса на новые технологии. Проведем его анализ посредством построения диаграммы Исикавы .

–  –  –

Выполним оценку сравнительной эффективности исследования. Выделим две позиции для анализа: текущий проект и аналог (используем большее количество веществ для исследования) .

–  –  –

Подведем итоги по разделу. В результате технико-экономического обоснования была составлена смета затрат из которой получили, что себестоимость проекта численно равна 142 506 рублей .

Так же в ходе выполнения данного раздела была построена матрица SWOTанализа. На ее основе были определены и оценены угрозы для потенциальной установки на органическом цикле Ренкина с воздушным конденсатором. В частности, было выявлено, что наиболее проблемным аспектом данного проекта является возможное отсутствие спроса на разрабатываемую технологию. В связи с этим данная проблема была проанализирована посредством причинно-следственной диаграммы. Были установлены потенциальные причины вызывающе данную проблему. В первую очередь решение данной проблемы предлагается за счет внедрения среди потребителей осознания необходимости применения исследуемого цикла. Этого можно достичь за счет общего повышения качества исследуемого цикла (создание широкой обучающей базы, высокий уровень обслуживания, налаженная поставка оборудования и рабочих веществ и т.д.) и обоснования его приемуществ .

Из матрицы SWOT-анализа можно выделить еще один наиболее проблемный аспект: несвоевременное финансирование исследования. Данная проблема должна быть решена за счет привлечения интереса среди инвесторов, например внедрение показательных роликов, рекламы, размещение проекта на краундфандинговых платформах и т.д .

Был произведен анализ вариантов проведения исследования. Проводилась оценка следующих вариантов исследования: со стандартным набором рабочих веществ и с расширенным набором рабочих веществ. При определении сравнительной эффективности проекта было установлено, что проведение исследования со стандартным набором




Похожие работы:

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР ВОСТОЧНАЯ КОМИССИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА СОЮЗА ССР СТРАНЫ И НАРОДЫ ВОСТОКА ВЫПУСК I ГЕОГРАФИЯ, ЭТНОГРАФИЯ, ИСТОРИЯ Под редакцией АКАДЕМИКА В. В. С Т Р У В Е ИЗДАТЕЛЬСТВО ВОСТОЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ М о с к в а 1959 А. М. Любарская РУССКИЕ ПУТЕШЕСТВЕННИКИ И МОРЯКИ НА СТРОИТЕЛЬСТВЕ СУЭЦКОГ...»

«ВЕРИФИКАЦИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ СХЕМ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ВОДОРОДА В ВОЗДУХЕ А.В. Федоров, Н.Н. Федорова, О.С. Ванькова, Д.А. Тропин Институт теоретической и прикладной механики им. Христиановича СО РАН...»

«Мощность и работа Техническое описание и инструкция по эксплуатации Снегоболотоход БМЕ-1015 СДЕЛАНО В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ Оставляем за собой право на внесение изменений, обусловленных модернизацией. СП ЗАО “МАЗ-МАН” Перепечатка, размножение или перевод как полностью, так и частично, разрешается тольк...»

«Ф Е Д ЕРА Л ЬН А Я СЛУЖ БА ПО Н АДЗОРУ В С Ф Е РЕ П РИ РО Д О П О Л ЬЗО В А Н И Я УТВЕРЖДАЮ Директор ФБУ "Федеральный центр КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОД МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРИЛОНА Б В ПИТЬЕВЫХ, П...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОСТ Р 53310— СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ Ф Е Д Е РА Ц И И ПРОХОДКИ КАБЕЛЬНЫЕ, ВВОДЫ ГЕРМЕТИЧНЫЕ И ПРОХОДЫ ШИНОПРОВОДОВ. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний на...»

«Тестер-анализатор пакетных сетей МАКС-ЕМК Руководство по эксплуатации, совмещенное с паспортом Версия 1.5а МБСЕ.468212.008 РЭ Оглавление Список принятых сокращений 3 Назначение Технические данные и спецификации Комплект поставки Устройство и работа Маркирование Упаковка Общие указания по эксплуатации Указание мер безо...»

«Закрытое акционерное общество "ЛСР. Недвижимость-Урал" ОГРН 1026605389667, ИНН 6672142550, КПП 660850001 620072, Россия, г. Екатеринбург, ул. 40-летия Комсомола, д.34 www.LSRrealestate-ural.ru телефон/факс: (343)215-99-00, E-mail: secret@nova-stroy.ru УТВЕРЖДАЮ Первый заместитель управляющего ЗАО "ЛСР. Недвижимость-Урал", действую...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.