Оптимизационные исследования и выбор рациональных схем когенерационных энергокомплексов

Рост цен на органическое топливо, повышение экологических требований и стремление к децентрализованному энергоснабжению стимулируют развитие когенерационных технологий в России и за рубежом. Долгосрочное развитие энергетического комплекса неразрывно связано с широкомасштабным использованием когенерационных энерготехнологий.

В последние годы в России наметилась тенденция роста количества компаний, выбравших когенерационные энерготехнологии в качестве предмета своей деятельности. При этом анализ отечественного опыта реализации проектов по внедрению когенерационных энергосистем свидетельствуют о наличии ряда принципиальных барьеров и рисков, включая технико-экономические проблемы оптимизации технологических схем и выбора оборудования когенерационных энергоустановок (КЭУ) и энергокомплексов.

Задача выбора первичного двигателя и оптимизация технологической схемы когенерационных энергокомплексов осложняется тем, что сегодня выпускается большой спектр различных типов двигателей: газотурбинные, газопоршневые, паротурбинные, дизельные и другие, которые существенно отличаются по единичной мощности, эффективности, ремонтопригодности, экологичности и другим характеристикам.

Отсутствие методологии выбора оптимальных технологических схем, первичного двигателя и ряда других технических решений, необходимость которых возникает при создании когенерационных комплексов, значительно сдерживает их развитие.

Наиболее перспективными направлениями внедрения современных когенерационных энергоустановок являются сооружение на их основе систем автономного теплоэлектроснабжения новых предприятий и реконструкция устаревших котельных путем перевода их в мини-ТЭЦ.

Формирование концепции и определение технических решений при практической реализации проектов по реконструкции устаревших котельных имеет принципиальные отличия от случаев создания новых автономных когенерационных установок и энергосистем. Прежде всего, это связано с вопросами оптимизации совместной работы оставшегося котельного оборудования и надстройки в виде КЭУ.

Актуальными задачами НИОКР являются повышение эффективности и надежности когенерационных энергоустановок и комплексов.

Целью работы является разработка научно-технических и технологических основ эффективного применения когенерационных энергоустановок и технологических комплексов при создании новых систем тепло-электроснабжения и реконструкции устаревших котельных путем перевода их в мини-ТЭЦ.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ влияния технических параметров и технологических свойств КЭУ на область и эффективность их применения.

2. Разработка критериально-параметрической базы и создание программного комплекса по оптимизации выбора оборудования когенерационных энергоустановок при сооружении автономных энергосистем с учетом приоритетов в технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности.

3. Создание программных средств, расчетное моделирование и оптимизационные исследования технологических схем когенерационных энергокомплексов с газопоршневыми и газотурбинными двигателями.

4. Разработка принципов выбора рабочих тел, создание математической модели и выполнение оптимизационных исследований включения в технологические схемы когенерационных энергокомплексов бинарных энергоблоков.

5. Разработка технических решений и оценка эффективности использования когенерационных установок на практических примерах реконструкции устаревших котельных в мини-ТЭЦ и создании новых автономных систем теплои электроснабжения.

Научная новизна.

1. Проведен комплексный анализ технических параметров и технологических свойств первичных двигателей, влияющих на область и эффективность применения КЭУ, на основе которого разработана критериально-параметрическая база данных современного оборудования КЭУ.

2. Разработана методология и создан программный комплекс оптимизации выбора оборудования КЭУ при сооружении автономных энергосистем, учитывающий приоритеты в технической и экономической эффективности объекта.

3. Проведено расчетно-аналитическое обоснование и сравнение эффективных вариантов использования газопоршневых когенерационных установок и газовых турбин, а также применение топливных элементов в схеме газотурбиной установки при переводе водогрейной котельной в мини-ТЭЦ.

4. Выполнен комплексный анализ технологических свойств рабочих тел на основе, которого разработаны модели тепловых схем и построены ТС) — диаграммы парогенератора бинарного блока.

5. Расчетно-аналитически обоснованы диапазоны оптимальных температур насыщения пара в конденсаторе и испарителе бинарного блока, работающего совместно с КЭУ.

6. Проведено расчетно-аналитическое обоснование повышение технико-экономических показателей при включении бинарного энергоблока с низкокипящим рабочим телом в состав газотурбинной мини-ТЭЦ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением широко используемых методик расчетов элементов тепловых схем ТЭЦ, апробированных математических методов моделирования и полученных результатов, сходимостью с подобными результатами работ других авторов, расчетов проектных организаций.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Создана критериально-параметрическая база данных и разработан программный комплекс для решения практических задач выбора оптимального оборудования КЭУ с учетом приоритетов в технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности.

2. Определены оптимальные варианты применения газопоршневых ко-генерационных установок и газотурбинной надстройки, в том числе с включением топливных элементов при переводе водогрейной котельной мощностью 40 Гкал/ч в мини-ТЭЦ.

3. Результаты проведенного комплексного анализа технологических свойств веществ использованы при выборе рабочего тела для строящегося на Паужетской ГеоЭС отечественного пилотного бинарного энергоблока, а также могут быть востребованы при применении бинарных блоков в схемах КЭУ.

4. Получены значения диапазонов оптимальных температур в испарителе и конденсаторе бинарных блоков, при использовании в качестве рабочего тела R134a и R600.

5. Определена зависимость чувствительности мощности (нетто) бинарного блока от температуры насыщения в конденсаторе.

6. Установлена эффективность применения бинарных блоков в схемах газотурбинных мини-ТЭЦ.

7. Результаты сравнительного анализа технико-экономических показателей ТЭЦ электрической мощностью 60 МВт с использованием когене-рационных установок ГТА- 16П и ГПМ Rolls — Royce В35: 40V16AG использованы при реализации проекта создания ТЭЦ в микрорайоне Данилово округа Домодедово г. Москвы.

Автор защищает:

1. Критериально-параметрическую базу данных КЭУ и методологию оптимизации выбора оборудования КЭУ при создании автономных энергокомплексов.

2. Результаты расчётно-аналитических исследований применения газопоршневых, газотурбинных двигателей и топливных элементов при переводе водогрейной котельной мощностью 40 Гкал/ч в мини-ТЭЦ.

3. Результаты проведенного анализа возможности применения рабочих тел для бинарных энергоблоков.

4. Полученные в ходе расчётных исследований значения диапазонов оптимальных температур в испарителе и конденсаторе бинарных блоков, при использовании в качестве рабочего тела Я134а и ЯбОО.

5. Результаты расчётно-аналитических исследований тепловых схем работы бинарных блоков в составе КЭУ, позволяющие обосновать повышение технико-экономических показателей при включении бинарного энергоблока с низкокипящим рабочим телом в состав газотурбинной мини-ТЭЦ.

Результаты работы докладывались на Международная науч.-практ. конф. «Энергетика-2008: Инновации, решения, перспективы» (г. Казань,.

2008 год) — VI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва,.

2009 г.) — Международной науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 2009 г).

По теме диссертации опубликовано 13 работ в научных изданиях, в том числе три публикации в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. каф. ТЭУ МГОУ Томарову Григорию Валентиновичу за внимательное руководство и помощь при написании работы, а также к.т.н., доц. каф. ДПМ МЭИ (ТУ) Шипкову Андрею Анатольевичу за постоянные консультации при выполнении работы, к.т.н., доц., зав. каф. ПГТ ИГЭУ Рабенко Владимиру Степановичу за оказанную поддержку и содействие при проведении исследований, к.т.н. Никольскому Александру Иосифовичу за советы и замечания, высказанные при обсуждении диссертации.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Разработана структура критериально-параметрической базы данных по широкому спектру когенерационных установок. Создан программный комплекс для оптимизации выбора оборудования когенерационных установок, учитывающий приоритеты в технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности когенерационной системы, позволяющий проводить предварительную оценку целесообразности применения различных видов и мощности первичных двигателей при выборе состава когенерационных энергокомплексов.

2. В результате проведенных исследований оптимизации перевода водогрейной (отопительной) котельной с двумя котлами КВГМ-20−150 в мини-ТЭЦ пристройкой газопоршневых когенераторов показано, что наиболее целесообразным по тепловой экономичности является вариант с установкой двух когенераторов: первый для покрытия тепловой нагрузки ГВС, второй — для покрытия минимального теплового потребления на отопление. В случае значительной изношенности и необходимости замены водогрейных котлов при резервировании тепловой мощности газопоршневыми когенераторами наиболее экономически целесообразными являются варианты начиная с установки 4-х и более ГПА, работающих по переменной отопительной нагрузке. При резервировании тепловой мощности уже имеющимися водогрейными котлами минимальный срок окупаемости достигается при установке одного ГПА.

3. В результате проведенных исследований оптимизации перевода водогрейной (отопительной) котельной с двумя котлами КВГМ-20−150 в мини-ТЭЦ надстройкой газовых турбин показано, что оптимальным вариантом и с точки зрения тепловой экономичности и срока окупаемости является вариант надстройки котельной одной ГТУ только для покрытия нагрузки ГВС.

4. На основе разработанной статической модели тепловой схемы мини-ТЭЦ с гибридным двигателем (ТЭ — ГТУ) получены результаты расчётных исследований свидетельствующие о целесообразности применения гибридного первичного двигателя для повышения потребления выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

5. Разработана модель тепловой схемы мини-ТЭЦ с ГТУ с помощью которой проведены расчётные исследования газотурбинных мини-ТЭЦ. Показана целесообразность пристройки бинарного энергоблока для повышения экономичности ТЭЦ. Сделан вывод о необходимости гармонизации совместной работы КЭУ и бинарного энергоблока.

6. В результате численных исследований было установлено, что электрическая мощность бинарного энергоблока, а также удельный расход греющей среды на 1 кВт ч выработанной энергии имеют оптимумы при определённых температурах насыщения в испарителе парогенератора.

7. Получена зависимость оптимальной температуры насыщения в испарителе (при которой электрическая мощность контура с НРТ максимальна и удельный расход греющей среды на 1 кВт-ч выработанной энергии минимален) от температуры насыщения в конденсаторе бинарного блока для рабочего тела R600 и R134a.

8. Разработаны технические решения по реконструкции (замене) котельных (Краснодарского края) с использованием когенерационных установок. Приведены примеры использования когенерационных энергоустановок в проектах реконструкции муниципальных систем теплоснабжения г. Тимашевск и г. Анапа. Проведён расчёт и сравнительный анализ технико-экономических показателей ТЭС 60 МВт на основе использования ГТА-16П и ГПМ Rolls-Royce B35:40V16AG.