Помощь студентам в учебе
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ УТИЛИЗАЦИОННОЙ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ПО ПОВЫШЕНИЮ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК 13
1.1 Анализ опубликованных результатов исследований по парогазовым установкам 13
1.2 Проблемы и перспективы применения органического цикла Ренкина 15
1.3 Анализ рабочих веществ и их свойств для органического цикла Ренкина 19
1.4 Проблемы и перспективы применения воздушных конденсаторов в энергетике 24
1.5 Методика определения погрешностей в тепловых расчетах 27
Выводы по первой главе 28
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С ЦИКЛАМИ НА ТРЕХ РАБОЧИХ ТЕЛАХ, ВОЗДУШНОГО КОНДЕНСАТОРА, СИСТЕМЫ ПГУ-ВК 29
2.1 Разработка методики расчета тепловой схемы парогазовой установки с циклами на трех
рабочих телах 29
2.1.1 Теоретическое обоснование тепловой эффективности ПГУ с циклами на трех рабочих
телах 29
2.1.2 Разработка тепловой схемы парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах 33
2.1.3 Методика расчета парогазовой установки с циклами на основе трех рабочих тел 35
2.2. Разработка методики расчета воздушного конденсатора и исследование его работы на органических рабочих веществах 45
2.2.1 Параметры секции воздушного конденсатора 47
2.2.2 Методика расчета воздушного конденсатора 48
2.3 Разработка методики расчета комплекса парогазовая установка - воздушный конденсатор 54
Выводы по второй главе 59
ГЛАВА 3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ 60
3.1 Исходные данные 60
3.2 Результаты расчета и их анализ 60
Выводы по третьей главе 73
ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО КОНДЕНСАТОРА 74
4.1 Исследование характеристик работы воздушного конденсатора от скорости
охлаждающего воздуха 74
4.2 Исследование характеристик работы воздушного конденсатора от температуры
охлаждающего воздуха 81
Выводы по четвертой главе 86
ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ КОМПЛЕСА
ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА - ВОЗДУШНЫЙ КОНДЕНСАТОР 88
5.1 Исходные данные 88
5.2 Расчет и анализ результатов 90
5.2.1 Исследование работы ПГУ с ВК от температуры окружающего воздуха 90
5.2.2 Сравнение экономичности ПГУ с циклами на трех рабочих телах и ВК и
трехконтурной ПГУ для климатических условий города Сургут 94
Выводы по пятой главе 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ 102
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 121
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 149
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ПО ПОВЫШЕНИЮ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК 13
1.1 Анализ опубликованных результатов исследований по парогазовым установкам 13
1.2 Проблемы и перспективы применения органического цикла Ренкина 15
1.3 Анализ рабочих веществ и их свойств для органического цикла Ренкина 19
1.4 Проблемы и перспективы применения воздушных конденсаторов в энергетике 24
1.5 Методика определения погрешностей в тепловых расчетах 27
Выводы по первой главе 28
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С ЦИКЛАМИ НА ТРЕХ РАБОЧИХ ТЕЛАХ, ВОЗДУШНОГО КОНДЕНСАТОРА, СИСТЕМЫ ПГУ-ВК 29
2.1 Разработка методики расчета тепловой схемы парогазовой установки с циклами на трех
рабочих телах 29
2.1.1 Теоретическое обоснование тепловой эффективности ПГУ с циклами на трех рабочих
телах 29
2.1.2 Разработка тепловой схемы парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах 33
2.1.3 Методика расчета парогазовой установки с циклами на основе трех рабочих тел 35
2.2. Разработка методики расчета воздушного конденсатора и исследование его работы на органических рабочих веществах 45
2.2.1 Параметры секции воздушного конденсатора 47
2.2.2 Методика расчета воздушного конденсатора 48
2.3 Разработка методики расчета комплекса парогазовая установка - воздушный конденсатор 54
Выводы по второй главе 59
ГЛАВА 3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ 60
3.1 Исходные данные 60
3.2 Результаты расчета и их анализ 60
Выводы по третьей главе 73
ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО КОНДЕНСАТОРА 74
4.1 Исследование характеристик работы воздушного конденсатора от скорости
охлаждающего воздуха 74
4.2 Исследование характеристик работы воздушного конденсатора от температуры
охлаждающего воздуха 81
Выводы по четвертой главе 86
ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ КОМПЛЕСА
ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА - ВОЗДУШНЫЙ КОНДЕНСАТОР 88
5.1 Исходные данные 88
5.2 Расчет и анализ результатов 90
5.2.1 Исследование работы ПГУ с ВК от температуры окружающего воздуха 90
5.2.2 Сравнение экономичности ПГУ с циклами на трех рабочих телах и ВК и
трехконтурной ПГУ для климатических условий города Сургут 94
Выводы по пятой главе 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ 102
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 121
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 149
Актуальность работы
Главным направлением совершенствования энергетических установок является повышение их КПД, надежности и маневренности, а также снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Из термодинамики известно, что главными факторами повышения КПД циклов являются повышение температуры подвода тепла и снижение температуры отвода тепла [1]. На рисунке 1 изображен простейший цикл утилизационной парогазовой установки (ПГУ) для которого: QKC - подвод тепла в камере сгорания (КС), 9с - температура подвода тепла, 9УХ - температура уходящих из котла-утилизатора (КУ) газов, tK - температура отвода тепла, tS - температура насыщения пара в испарителе КУ, Sto - температурный напор на горячем конце КУ.
- Цикл утилизационной парогазовой установки с одноконтурным барабанным
котлом-утилизатором
Повышение температуры подвода тепла 9с определяется конструкционными материалами, из которых изготавливают установки, и совершенствованием систем их охлаждения [2]. Так с совершенствованием конструкционных материалов на тепловой электростанции (ТЭС) на паротурбинных установках (ПТУ) повышение температуры пара перед турбиной от 450 до 600 °C позволило повысить электрический КПД ПТУ при наличии развитой системы регенеративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева пара с 25 до 46 %, а на газотурбинных установках повышение температуры от 700 до 1600 °С привело к росту электрического КПД газотурбинной установки (ГТУ) простого цикла с 22 до
43,5 %.
Снижение температуры отвода тепла tK влияет на КПД цикла сильнее, чем повышение температуры подвода тепла, но в ГТУ оно ограничено процессом в газовой турбине, а в ПТУ - температурой охлаждающей среды и процессом в конденсаторе. Так, при работе ПТУ на водяном паре, и при охлаждении пара в конденсаторе водой, температура отвода тепла в цикле не может быть ниже 15 °С. В зимнее время температуру отвода тепла можно снизить ниже 15 °С если охлаждать пар в конденсаторе воздухом, но при этом снижается надежность установки из-за возможности замерзания воды в трубках конденсатора. Снизить температуру отвода тепла в цикле ниже 0 °С и надежно работать можно при применении воздушного конденсатора (ВК), если в качестве рабочего тела в цикле ПТУ использовать органические рабочие тела (ОРТ).
Наиболее высокие КПД в настоящее время получены в утилизационной ПГУ бинарного типа, где объединены два цикла - цикл ГТУ, в котором рабочим телом являются смесь воздуха и продуктов сгорания углеводородного топлива, и цикл ПТУ, где рабочим телом является вода. Связь между циклами осуществляется через котел-утилизатор (КУ), где теплота выхлопных газов ГТУ передается рабочему телу цикла ПТУ.
Пути повышение КПД утилизационной ПГУ определяется уравнением [1]:
ПУПГУ = ПГТУ+(1-ПГТУ)'ПКУ-ППТУ, (1)
где цУПГУ - КПД утилизационной ПГУ; цГТУ - КПД ГТУ; цКУ - КПД КУ; цПТУ - КПД ПТУ.
Из (1) следует, что для повышения КПД утилизационной ПГУ необходимо увеличивать КПД ГТУ, КУ и ПТУ. При этом в утилизационной ПГУ определяющей является ГТУ, т.к. ее мощность составляет 2/3 мощности всей установки, а КПД КУ и ПТУ сильно зависят от температуры газов на выходе из ГТУ. Повышение КПД ГТУ главным образом определяется повышением температуры перед газовой турбиной (ГТ), которая определяется конструкционными материалами, из которых она изготовлена, и совершенством систем ее охлаждения. В настоящее время достигнута температура перед газовой турбиной 1600 °С, что позволило получить КПД ГТУ 43,5 %. Ведутся исследования по достижению температуры перед газовой турбиной 1700 °С, что позволит получить КПД ГТУ до 45 %. Повышение температуры перед газовой турбиной приводит к росту температуры за ней, что увеличивает КПД КУ и позволяет повысить КПД ПТУ. Так на выходе из газовой турбины ГТУ 9НА.02 достигнута температура 645 °С [3], что позволило получить температуру пара перед паровой турбиной (ПТ) в цикле ПТУ 620 °С.
КПД КУ определяется соотношением температур выхлопных газов ГТУ на входе и выходе. Температура выхлопных газов ГТУ на входе в КУ определяется процессом в газовой турбине, а температура на выходе должна быть выше 75 °С для исключения возникновения низкотемпературной коррозии металла газового подогревателя конденсата (ГПК).
КПД ПТУ в основном определяется температурой водяного пара на входе в паровую турбину (ПТ), которая зависит от работы ГТ, а также температурой отвода тепла в конденсаторе, которая при работе цикла на воде, как показано выше, не может быть ниже 15 °С. Для повышения КПД ПТУ в бинарных утилизационных ПГУ применяются двух или трехконтурные схемы генерации пара в КУ, с целью максимального использования теплоты выхлопных газов ГТУ в КУ. Применение двухконтурной схемы позволяет увеличить КПД на 1,75 %, а трехконтурной на 2,35 %, по сравнению с одноконтурной схемой. Применение промежуточного перегрева пара в трехконтурной ПГУ позволяет повысить КПД на 1,2 % по сравнению с обычной двухконтурной схемой [4, 5].
Из проведенного анализа следует, что при работе цикла ПТУ на воде и водяном паре дальнейшее повышение КПД утилизационных ПГУ возможно в основном за счет повышения температуры смеси воздуха и продуктов сгорания перед газовой турбиной ГТУ.
При заданной температуре водяного пара перед паровой турбиной повышение КПД ПТУ парогазовой установки в основном возможно за счет снижения температуры отвода тепла в цикле, поэтому в ряде работ [6-9] предлагается в качестве рабочего тела цикла ПТУ использовать органические рабочие тела с низкой температурой кипения, а отвод теплоты от него производить в ВК. Это в зимнее время позволит надежно отводить тепло в цикле при отрицательных температурах и повысить КПД ПТУ и утилизационных ПГУ. При этом проблемой при выборе рабочего тела для ОЦР является правильный подбор ОРТ, т.к. они разрабатывались для применения в холодильной технике и поэтому их верхняя предельная температура по условиям термического разложения составляет 200:300 °С.
Современные ГТ имеют температуру газов на выходе 400:630 °С, а ОРТ допускают верхнюю температуру до 200:300 °С, и, применяя с ними бинарный цикл утилизационной ПГУ в КУ потеряем 200:330 °С температурного напора, что снизит тепловую экономичность утилизационной ПГУ. Чтобы устранить этот недостаток, в ряде работ предлагается использовать в утилизационных ПГУ циклы не на двух, а на трех рабочих телах [1, 10-14]. В утилизационной ПГУ с циклами на трех рабочих телах верхний цикл ГТУ работает на смеси воздуха и продуктов сгорания газа, средний - цикл ПТУ, работает на воде и водяном паре, а нижний - цикл ПТУ работает на ОРТ. Учитывая, что в настоящее время основным рабочим
телом в ПТУ является вода и оборудование, работающее на ней, хорошо освоено,
целесообразно для среднего цикла выбрать ее в качестве рабочего тела.
Актуальной является конденсация ОРТ в ВК. Как показал анализ литературы [146-180], в настоящее время данный вопрос недостаточно изучен.
При работе ПГУ в условиях пониженных среднегодовых температур окружающей среды в отдаленных северных районах прохождения нефтегазовых магистралей появляется возможность более эффективной работы за счет применения циклов на трех рабочих телах, в которой нижний цикл работает на ОРТ, а его конденсация происходит в ВК. При анализе российской и зарубежной литературы исследований схем ПГУ с циклами на трех рабочих телах не выявлено. Проведенное параметрическое исследование тепловой схемы утилизационной парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах, предложенной автором, позволяет определить диапазон параметров, которые способны обеспечить существенное снижение затрат на функционирование удаленных объектов энергообеспечения.
С учетом вышесказанного в работе поставлена задача повышения эффективности утилизационных ПГУ с циклами на трех рабочих телах, где верхний цикл ГТУ работает на смеси воздуха и продуктов сгорания газа, средний цикл ПТУ работает на воде, а нижний цикл ПТУ работает на ОРТ, при этом конденсация ОРТ производится в ВК.
Степень проработанности проблемы
Вопросы создания, совершенствования технологий и тепловых схем ПГУ рассмотрены в работах следующих ученых: Трухний А.Г., Ольховского Г.Г., Березинец П.А., Волкова Э.П., Цанева С.В. Бурова В.Д., Аракеляна Э.К., Костюка А.Г., Фролова В.В., Тумановского Г.Г., Христиановича С.А., Зысина Л.В., Гафурова А.М., Шапошникова В.В., Гринмана М.И., Grin’ E.A., Cao, Y., Baratieri M., Mohagheghi M., Pihl Erik E., Godoy E., Canepa R., Adams T., Mac Dowell N. и др.
Аспекты изучения и совершенствования конструкций воздушно -конденсационных установок рассмотрены в работах: Мильмана О.О., Федорова В.А., Артемова В.И., Клевцова А.В., Пронина В.А., Кунтыша В.Б, Кирипичикова В.А., Григорьева Б.А., Кириллова А.И., Бессонного А.Н., Керна Д., Крауса А., Berryman R.J., Russel C.M.B., Schrey H.G., Stuart D.O., Dusatko R.A., Lau S.C., Pannell J.R., Griffiths E.A., Coales J.D., Moore J., Grimes R., Walsh E., O’Donovan A. и др.
Изучение свойств органических рабочих тел и применение их в тепоэнергетических установках приведены в работах: Цветкова О.Б., Томарова Г.В., Огуречникова Л.А., Артеменко С.В., Никитина М.Н., Бабакина Б.С., Стефанчука В.И., Ковтунова Е.Е., Максимова, В.Г. Барабанова, Saleh B., Chen H. Hung T.C. Liu B.-T. Madhawa Hettiarachchi H.D., Tchanche B.F. и др.
Объект исследования - утилизационная парогазовая установка с циклами на трех рабочих телах и конденсацией ОРТ в ВК.
Целью работы является совершенствование тепловой схемы утилизационной парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах для повышения КПД и мощности.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Обзор исследований по применению и совершенствованию ПГУ, ВК и ОРТ на ТЭС для выбора наиболее достоверных методик их расчета.
2. Выбор органического рабочего тела для работы в нижнем цикле утилизационной ПГУ при условии конденсации их в ВК.
3. Разработка методик расчета и параметрические исследования схем ПГУ, ВК и их комплекса.
3.1. Разработка методики расчета и параметрические исследования тепловой схемы утилизационной ПГУ с циклами на трех рабочих телах.
3.2. Разработка методики расчета ВК и исследование на ней эффективности конденсации разных видов ОРТ в широком диапазоне температур.
3.3. Разработка методики расчета и параметрические исследования комплекса ПГУ-ВК.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
1. Впервые выведено уравнение взаимосвязи КПД ПГУ с циклами на трех рабочих телах от КПД циклов и КПД связывающих эти циклы элементов.
2. Разработаны оригинальные методики расчета двух тепловых схем утилизационной ПГУ с циклами на трех рабочих телах, отличающиеся способом подогрева конденсата ОРТ перед экономайзером низкого давления - рециркуляцией конденсата и регенеративным подогревом конденсата в смешивающем подогревателе. Показано, что регенеративный подогрев конденсата в смешивающем подогревателе более эффективен.
3. С учетом последних исследований по теплообмену в оребренном трубном пучке разработана методика расчета ВК для исследования конденсации в нем разных видов органических рабочих тел.
4. Впервые разработана методика расчета комплекса ПГУ-ВК, которая позволила провести параметрические исследования с изменением режимных параметров ВК и циклов ПТУ, а также определить наиболее эффективное ОРТ.
На защиту выносятся:
- методика расчета и результаты параметрических исследований тепловой схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах и конденсацией ОРТ в ВК;
- методика расчета и результаты параметрических исследований схемы ВК при конденсации в нем различных рабочих веществ;
- методика расчета и результаты параметрических исследований тепловой схемы комплекса ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах.
Теоретическая и практическая значимость
1. Выведено аналитическое уравнение связи КПД ПГУ с КПД отдельных циклов и связывающих циклы установок.
2. Программный продукт, реализующий методику расчета воздушного конденсатора, предназначен для проектирования промышленных воздушно-конденсационных установок и может использоваться учебными, научными, промышленными и проектными организациями (свидетельство о гос. рег. программ для ЭВМ № 2015615530).
3. Методика и программа расчета тепловой схемы парогазовой установки на базе трех рабочих тел, позволяющая проводить исследования при изменении параметров рабочих тел в среднем и нижнем циклах ПГУ.
4. Методика и программа расчета системы ПГУ-ВК, позволяющая проводить комплексные параметрические исследования изменения характеристик ВК и ПГУ в зависимости от режимных параметров теплоносителей и окружающего воздуха.
5. Получено заключение о практическом использовани результатов работы на
«Дальневосточная генерирующая компания» филиала «Приморская генерация».
Методы исследования:
При выполнении диссертационной работы использовались численные методы исследования с помощью разработанных методик расчета. При разработке методик расчета применены методы материальных и тепловых балансов систем и элементов и методы тепло- и массообмена в ВК и оборудовании утилизационной ПГУ.
Личный вклад автора заключается
- в анализе существующих принципиальных схем ПГУ, формулировании подхода к их совершенствованию для условий пониженных температур окружающей среды путем введения в тепловую схему третьего цикла на органическом рабочем теле (ОРТ) с использованием воздушного конденсатора (ВК), в выборе методик определения основных параметров ПГУ и ВК, разработке на их основе объединенной методики расчета комплекса ПГУ-ВК и реализация данных методик в виде программ расчета на ЭВМ;
- в верификации созданных программ расчета и использовании их для проведения параметрических исследований по определение диапазонов параметров циклов рабочих тел, охлаждающего воздуха, которые отвечают условиям получения наибольшего электрического КПД установки;
- в обработке, анализе, обсуждении полученных результатов и выработке рекомендаций для практического использования на практике.
Положения, выносимые на защиту:
- уравнение взаимосвязи КПД ПГУ с циклами на трех рабочих телах от КПД циклов и КПД связывающих эти циклы элементов;
- методика расчета и результаты параметрических исследований тепловой схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах и с конденсацией ОРТ в ВК;
- методика расчета и результаты параметрических исследований ВК при конденсации в нем различных рабочих веществ;
- методика расчета и результаты параметрических исследований комплекса ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах.
Степень достоверности и апробация результатов работы
- их непротиворечивостью с существующими базовыми физическими законами и уравнениями термодинамики, с представлениями о процессах в ПГУ, которые описываются в работе основными уравнениями материальных и тепловых балансов, тепло- и массопередачи в элементах ВК, котле-утилизаторе, турбинах, испарителе ОРТ и прочих теплообменных аппаратах;
- использованием для получения основных параметров устройств апробированных и хорошо зарекомендовавших методик расчета газотурбинной и паротурбинной установки, которая работает на водяном паре и паре органических рабочих тел;
- использованием параметров при расчете теплоотдачи в воздушном конденсаторе проверенных критериальных уравнений;
- оценкой погрешности расчетов с использованием теории приближенных вычисления и случайной вариации исходных параметров.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ТПУ с 2014 по 2017 гг., на Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надёжность, безопасность», Томск, 2014; Региональной научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск, 2014; Международном молодёжном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», Томск 2016, 2017; Международной молодежной научной конференции «Будущее науки», Курск, 2014; Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики», Москва, 2017. На международной молодежной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», Томск, 2017. Получено свидетельство Российской Федерации № 2015615530 от 03 апреля 2015 года о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет секции воздушного конденсатора». Получено заключение о практическом использовании результатов диссертационной работы на АО «Дальневосточная генерирующая компания» филиала «Приморская генерация».
Публикации
Основные положения, результаты и выводы диссертационных исследований опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 4 - в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Известия ТПУ» и «Электрические станции»; 13 публикаций в международных рецензируемых журналах, сборниках конференций, индексируемых базами данных «Web of Science» и «Scopus»: MATEC Web of Conferences, EPJ Web of Conferences, Power Technology and Engineering.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Данная работа изложена на 120 страницах, диссертация содержит 40 рисунков, 20 таблиц, список использованных источников, который включает 191 наименование, 29 страниц приложений.
Во введении раскрывается актуальность диссертации, сформулированы цели и задачи, отражается теоретическая и практическая значимость, и научная новизна полученных результатов.
В первой главе диссертационной работы приведен аналитический обзор основных теоретических и экспериментальных работ по исследованию и совершенствованию ПГУ, анализу свойств рабочих веществ для цикла Ренкина, по особенностям конструкции, способов повышения теплообмена в ВК.
Во второй главе разработаны и сформулированы: методика расчета парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах, методика расчета воздушного конденсатора, методика комплексного расчета системы ПГУ-ВК; произведен теоретический анализ по обоснованию тепловой эффективности ПГУ с циклами на трех рабочих телах; выведено уравнение, позволяющее оценить КПД такой ПГУ и определить пути ее совершенствования; представлены тепловые схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах с различными схемами подогрева конденсата перед экономайзером низкого давления.
В третьей главе проведены параметрические исследования парогазовой установки с тремя циклами на трех рабочих телах с двумя вариантами подогрева конденсата ОРТ перед КУ по составленной методике, получены и проанализированы зависимости абсолютного электрического КПД ПГУ брутто и нетто, электрической мощности ПГУ брутто и нетто от начального и конечного давлений водяного пара, от температуры конденсации ОРТ в воздушном конденсаторе.
В четвертой главе по составленной методике проведены параметрические исследования воздушного конденсатора при конденсации в нем различных рабочих веществ, произведены расчеты в программе, получены графические зависимости массовых и объемных расходов теплоносителей, количество секций и коэффициента теплопередачи воздушного конденсатора от скорости и температуры охлаждающего воздуха; построена и проанализирована зависимость аэродинамического сопротивления секции от скорости воздуха.
В пятой главе по составленной программе комплексного расчета системы ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах и регенеративным подогревом ОРТ проведены параметрические исследования и получены зависимости абсолютного электрического КПД нетто и брутто, электрической мощности ПГУ брутто и нетто, электрической мощности ЦНД от температуры охлаждающего воздуха. Проведено сравнение экономичности и выработки электроэнергии ПГУ-ВК и ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом в климатических условиях г. Сургут. Построены и проанализированы зависимости мощности, КПД и выработки электроэнергии на данных ПГУ от среднемесячных температур г. Сургут.
В заключении приведены основные итоги диссертационной работы.
Главным направлением совершенствования энергетических установок является повышение их КПД, надежности и маневренности, а также снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Из термодинамики известно, что главными факторами повышения КПД циклов являются повышение температуры подвода тепла и снижение температуры отвода тепла [1]. На рисунке 1 изображен простейший цикл утилизационной парогазовой установки (ПГУ) для которого: QKC - подвод тепла в камере сгорания (КС), 9с - температура подвода тепла, 9УХ - температура уходящих из котла-утилизатора (КУ) газов, tK - температура отвода тепла, tS - температура насыщения пара в испарителе КУ, Sto - температурный напор на горячем конце КУ.
- Цикл утилизационной парогазовой установки с одноконтурным барабанным
котлом-утилизатором
Повышение температуры подвода тепла 9с определяется конструкционными материалами, из которых изготавливают установки, и совершенствованием систем их охлаждения [2]. Так с совершенствованием конструкционных материалов на тепловой электростанции (ТЭС) на паротурбинных установках (ПТУ) повышение температуры пара перед турбиной от 450 до 600 °C позволило повысить электрический КПД ПТУ при наличии развитой системы регенеративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева пара с 25 до 46 %, а на газотурбинных установках повышение температуры от 700 до 1600 °С привело к росту электрического КПД газотурбинной установки (ГТУ) простого цикла с 22 до
43,5 %.
Снижение температуры отвода тепла tK влияет на КПД цикла сильнее, чем повышение температуры подвода тепла, но в ГТУ оно ограничено процессом в газовой турбине, а в ПТУ - температурой охлаждающей среды и процессом в конденсаторе. Так, при работе ПТУ на водяном паре, и при охлаждении пара в конденсаторе водой, температура отвода тепла в цикле не может быть ниже 15 °С. В зимнее время температуру отвода тепла можно снизить ниже 15 °С если охлаждать пар в конденсаторе воздухом, но при этом снижается надежность установки из-за возможности замерзания воды в трубках конденсатора. Снизить температуру отвода тепла в цикле ниже 0 °С и надежно работать можно при применении воздушного конденсатора (ВК), если в качестве рабочего тела в цикле ПТУ использовать органические рабочие тела (ОРТ).
Наиболее высокие КПД в настоящее время получены в утилизационной ПГУ бинарного типа, где объединены два цикла - цикл ГТУ, в котором рабочим телом являются смесь воздуха и продуктов сгорания углеводородного топлива, и цикл ПТУ, где рабочим телом является вода. Связь между циклами осуществляется через котел-утилизатор (КУ), где теплота выхлопных газов ГТУ передается рабочему телу цикла ПТУ.
Пути повышение КПД утилизационной ПГУ определяется уравнением [1]:
ПУПГУ = ПГТУ+(1-ПГТУ)'ПКУ-ППТУ, (1)
где цУПГУ - КПД утилизационной ПГУ; цГТУ - КПД ГТУ; цКУ - КПД КУ; цПТУ - КПД ПТУ.
Из (1) следует, что для повышения КПД утилизационной ПГУ необходимо увеличивать КПД ГТУ, КУ и ПТУ. При этом в утилизационной ПГУ определяющей является ГТУ, т.к. ее мощность составляет 2/3 мощности всей установки, а КПД КУ и ПТУ сильно зависят от температуры газов на выходе из ГТУ. Повышение КПД ГТУ главным образом определяется повышением температуры перед газовой турбиной (ГТ), которая определяется конструкционными материалами, из которых она изготовлена, и совершенством систем ее охлаждения. В настоящее время достигнута температура перед газовой турбиной 1600 °С, что позволило получить КПД ГТУ 43,5 %. Ведутся исследования по достижению температуры перед газовой турбиной 1700 °С, что позволит получить КПД ГТУ до 45 %. Повышение температуры перед газовой турбиной приводит к росту температуры за ней, что увеличивает КПД КУ и позволяет повысить КПД ПТУ. Так на выходе из газовой турбины ГТУ 9НА.02 достигнута температура 645 °С [3], что позволило получить температуру пара перед паровой турбиной (ПТ) в цикле ПТУ 620 °С.
КПД КУ определяется соотношением температур выхлопных газов ГТУ на входе и выходе. Температура выхлопных газов ГТУ на входе в КУ определяется процессом в газовой турбине, а температура на выходе должна быть выше 75 °С для исключения возникновения низкотемпературной коррозии металла газового подогревателя конденсата (ГПК).
КПД ПТУ в основном определяется температурой водяного пара на входе в паровую турбину (ПТ), которая зависит от работы ГТ, а также температурой отвода тепла в конденсаторе, которая при работе цикла на воде, как показано выше, не может быть ниже 15 °С. Для повышения КПД ПТУ в бинарных утилизационных ПГУ применяются двух или трехконтурные схемы генерации пара в КУ, с целью максимального использования теплоты выхлопных газов ГТУ в КУ. Применение двухконтурной схемы позволяет увеличить КПД на 1,75 %, а трехконтурной на 2,35 %, по сравнению с одноконтурной схемой. Применение промежуточного перегрева пара в трехконтурной ПГУ позволяет повысить КПД на 1,2 % по сравнению с обычной двухконтурной схемой [4, 5].
Из проведенного анализа следует, что при работе цикла ПТУ на воде и водяном паре дальнейшее повышение КПД утилизационных ПГУ возможно в основном за счет повышения температуры смеси воздуха и продуктов сгорания перед газовой турбиной ГТУ.
При заданной температуре водяного пара перед паровой турбиной повышение КПД ПТУ парогазовой установки в основном возможно за счет снижения температуры отвода тепла в цикле, поэтому в ряде работ [6-9] предлагается в качестве рабочего тела цикла ПТУ использовать органические рабочие тела с низкой температурой кипения, а отвод теплоты от него производить в ВК. Это в зимнее время позволит надежно отводить тепло в цикле при отрицательных температурах и повысить КПД ПТУ и утилизационных ПГУ. При этом проблемой при выборе рабочего тела для ОЦР является правильный подбор ОРТ, т.к. они разрабатывались для применения в холодильной технике и поэтому их верхняя предельная температура по условиям термического разложения составляет 200:300 °С.
Современные ГТ имеют температуру газов на выходе 400:630 °С, а ОРТ допускают верхнюю температуру до 200:300 °С, и, применяя с ними бинарный цикл утилизационной ПГУ в КУ потеряем 200:330 °С температурного напора, что снизит тепловую экономичность утилизационной ПГУ. Чтобы устранить этот недостаток, в ряде работ предлагается использовать в утилизационных ПГУ циклы не на двух, а на трех рабочих телах [1, 10-14]. В утилизационной ПГУ с циклами на трех рабочих телах верхний цикл ГТУ работает на смеси воздуха и продуктов сгорания газа, средний - цикл ПТУ, работает на воде и водяном паре, а нижний - цикл ПТУ работает на ОРТ. Учитывая, что в настоящее время основным рабочим
телом в ПТУ является вода и оборудование, работающее на ней, хорошо освоено,
целесообразно для среднего цикла выбрать ее в качестве рабочего тела.
Актуальной является конденсация ОРТ в ВК. Как показал анализ литературы [146-180], в настоящее время данный вопрос недостаточно изучен.
При работе ПГУ в условиях пониженных среднегодовых температур окружающей среды в отдаленных северных районах прохождения нефтегазовых магистралей появляется возможность более эффективной работы за счет применения циклов на трех рабочих телах, в которой нижний цикл работает на ОРТ, а его конденсация происходит в ВК. При анализе российской и зарубежной литературы исследований схем ПГУ с циклами на трех рабочих телах не выявлено. Проведенное параметрическое исследование тепловой схемы утилизационной парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах, предложенной автором, позволяет определить диапазон параметров, которые способны обеспечить существенное снижение затрат на функционирование удаленных объектов энергообеспечения.
С учетом вышесказанного в работе поставлена задача повышения эффективности утилизационных ПГУ с циклами на трех рабочих телах, где верхний цикл ГТУ работает на смеси воздуха и продуктов сгорания газа, средний цикл ПТУ работает на воде, а нижний цикл ПТУ работает на ОРТ, при этом конденсация ОРТ производится в ВК.
Степень проработанности проблемы
Вопросы создания, совершенствования технологий и тепловых схем ПГУ рассмотрены в работах следующих ученых: Трухний А.Г., Ольховского Г.Г., Березинец П.А., Волкова Э.П., Цанева С.В. Бурова В.Д., Аракеляна Э.К., Костюка А.Г., Фролова В.В., Тумановского Г.Г., Христиановича С.А., Зысина Л.В., Гафурова А.М., Шапошникова В.В., Гринмана М.И., Grin’ E.A., Cao, Y., Baratieri M., Mohagheghi M., Pihl Erik E., Godoy E., Canepa R., Adams T., Mac Dowell N. и др.
Аспекты изучения и совершенствования конструкций воздушно -конденсационных установок рассмотрены в работах: Мильмана О.О., Федорова В.А., Артемова В.И., Клевцова А.В., Пронина В.А., Кунтыша В.Б, Кирипичикова В.А., Григорьева Б.А., Кириллова А.И., Бессонного А.Н., Керна Д., Крауса А., Berryman R.J., Russel C.M.B., Schrey H.G., Stuart D.O., Dusatko R.A., Lau S.C., Pannell J.R., Griffiths E.A., Coales J.D., Moore J., Grimes R., Walsh E., O’Donovan A. и др.
Изучение свойств органических рабочих тел и применение их в тепоэнергетических установках приведены в работах: Цветкова О.Б., Томарова Г.В., Огуречникова Л.А., Артеменко С.В., Никитина М.Н., Бабакина Б.С., Стефанчука В.И., Ковтунова Е.Е., Максимова, В.Г. Барабанова, Saleh B., Chen H. Hung T.C. Liu B.-T. Madhawa Hettiarachchi H.D., Tchanche B.F. и др.
Объект исследования - утилизационная парогазовая установка с циклами на трех рабочих телах и конденсацией ОРТ в ВК.
Целью работы является совершенствование тепловой схемы утилизационной парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах для повышения КПД и мощности.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Обзор исследований по применению и совершенствованию ПГУ, ВК и ОРТ на ТЭС для выбора наиболее достоверных методик их расчета.
2. Выбор органического рабочего тела для работы в нижнем цикле утилизационной ПГУ при условии конденсации их в ВК.
3. Разработка методик расчета и параметрические исследования схем ПГУ, ВК и их комплекса.
3.1. Разработка методики расчета и параметрические исследования тепловой схемы утилизационной ПГУ с циклами на трех рабочих телах.
3.2. Разработка методики расчета ВК и исследование на ней эффективности конденсации разных видов ОРТ в широком диапазоне температур.
3.3. Разработка методики расчета и параметрические исследования комплекса ПГУ-ВК.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
1. Впервые выведено уравнение взаимосвязи КПД ПГУ с циклами на трех рабочих телах от КПД циклов и КПД связывающих эти циклы элементов.
2. Разработаны оригинальные методики расчета двух тепловых схем утилизационной ПГУ с циклами на трех рабочих телах, отличающиеся способом подогрева конденсата ОРТ перед экономайзером низкого давления - рециркуляцией конденсата и регенеративным подогревом конденсата в смешивающем подогревателе. Показано, что регенеративный подогрев конденсата в смешивающем подогревателе более эффективен.
3. С учетом последних исследований по теплообмену в оребренном трубном пучке разработана методика расчета ВК для исследования конденсации в нем разных видов органических рабочих тел.
4. Впервые разработана методика расчета комплекса ПГУ-ВК, которая позволила провести параметрические исследования с изменением режимных параметров ВК и циклов ПТУ, а также определить наиболее эффективное ОРТ.
На защиту выносятся:
- методика расчета и результаты параметрических исследований тепловой схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах и конденсацией ОРТ в ВК;
- методика расчета и результаты параметрических исследований схемы ВК при конденсации в нем различных рабочих веществ;
- методика расчета и результаты параметрических исследований тепловой схемы комплекса ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах.
Теоретическая и практическая значимость
1. Выведено аналитическое уравнение связи КПД ПГУ с КПД отдельных циклов и связывающих циклы установок.
2. Программный продукт, реализующий методику расчета воздушного конденсатора, предназначен для проектирования промышленных воздушно-конденсационных установок и может использоваться учебными, научными, промышленными и проектными организациями (свидетельство о гос. рег. программ для ЭВМ № 2015615530).
3. Методика и программа расчета тепловой схемы парогазовой установки на базе трех рабочих тел, позволяющая проводить исследования при изменении параметров рабочих тел в среднем и нижнем циклах ПГУ.
4. Методика и программа расчета системы ПГУ-ВК, позволяющая проводить комплексные параметрические исследования изменения характеристик ВК и ПГУ в зависимости от режимных параметров теплоносителей и окружающего воздуха.
5. Получено заключение о практическом использовани результатов работы на
«Дальневосточная генерирующая компания» филиала «Приморская генерация».
Методы исследования:
При выполнении диссертационной работы использовались численные методы исследования с помощью разработанных методик расчета. При разработке методик расчета применены методы материальных и тепловых балансов систем и элементов и методы тепло- и массообмена в ВК и оборудовании утилизационной ПГУ.
Личный вклад автора заключается
- в анализе существующих принципиальных схем ПГУ, формулировании подхода к их совершенствованию для условий пониженных температур окружающей среды путем введения в тепловую схему третьего цикла на органическом рабочем теле (ОРТ) с использованием воздушного конденсатора (ВК), в выборе методик определения основных параметров ПГУ и ВК, разработке на их основе объединенной методики расчета комплекса ПГУ-ВК и реализация данных методик в виде программ расчета на ЭВМ;
- в верификации созданных программ расчета и использовании их для проведения параметрических исследований по определение диапазонов параметров циклов рабочих тел, охлаждающего воздуха, которые отвечают условиям получения наибольшего электрического КПД установки;
- в обработке, анализе, обсуждении полученных результатов и выработке рекомендаций для практического использования на практике.
Положения, выносимые на защиту:
- уравнение взаимосвязи КПД ПГУ с циклами на трех рабочих телах от КПД циклов и КПД связывающих эти циклы элементов;
- методика расчета и результаты параметрических исследований тепловой схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах и с конденсацией ОРТ в ВК;
- методика расчета и результаты параметрических исследований ВК при конденсации в нем различных рабочих веществ;
- методика расчета и результаты параметрических исследований комплекса ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах.
Степень достоверности и апробация результатов работы
- их непротиворечивостью с существующими базовыми физическими законами и уравнениями термодинамики, с представлениями о процессах в ПГУ, которые описываются в работе основными уравнениями материальных и тепловых балансов, тепло- и массопередачи в элементах ВК, котле-утилизаторе, турбинах, испарителе ОРТ и прочих теплообменных аппаратах;
- использованием для получения основных параметров устройств апробированных и хорошо зарекомендовавших методик расчета газотурбинной и паротурбинной установки, которая работает на водяном паре и паре органических рабочих тел;
- использованием параметров при расчете теплоотдачи в воздушном конденсаторе проверенных критериальных уравнений;
- оценкой погрешности расчетов с использованием теории приближенных вычисления и случайной вариации исходных параметров.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ТПУ с 2014 по 2017 гг., на Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надёжность, безопасность», Томск, 2014; Региональной научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск, 2014; Международном молодёжном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», Томск 2016, 2017; Международной молодежной научной конференции «Будущее науки», Курск, 2014; Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики», Москва, 2017. На международной молодежной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», Томск, 2017. Получено свидетельство Российской Федерации № 2015615530 от 03 апреля 2015 года о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет секции воздушного конденсатора». Получено заключение о практическом использовании результатов диссертационной работы на АО «Дальневосточная генерирующая компания» филиала «Приморская генерация».
Публикации
Основные положения, результаты и выводы диссертационных исследований опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 4 - в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Известия ТПУ» и «Электрические станции»; 13 публикаций в международных рецензируемых журналах, сборниках конференций, индексируемых базами данных «Web of Science» и «Scopus»: MATEC Web of Conferences, EPJ Web of Conferences, Power Technology and Engineering.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Данная работа изложена на 120 страницах, диссертация содержит 40 рисунков, 20 таблиц, список использованных источников, который включает 191 наименование, 29 страниц приложений.
Во введении раскрывается актуальность диссертации, сформулированы цели и задачи, отражается теоретическая и практическая значимость, и научная новизна полученных результатов.
В первой главе диссертационной работы приведен аналитический обзор основных теоретических и экспериментальных работ по исследованию и совершенствованию ПГУ, анализу свойств рабочих веществ для цикла Ренкина, по особенностям конструкции, способов повышения теплообмена в ВК.
Во второй главе разработаны и сформулированы: методика расчета парогазовой установки с циклами на трех рабочих телах, методика расчета воздушного конденсатора, методика комплексного расчета системы ПГУ-ВК; произведен теоретический анализ по обоснованию тепловой эффективности ПГУ с циклами на трех рабочих телах; выведено уравнение, позволяющее оценить КПД такой ПГУ и определить пути ее совершенствования; представлены тепловые схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах с различными схемами подогрева конденсата перед экономайзером низкого давления.
В третьей главе проведены параметрические исследования парогазовой установки с тремя циклами на трех рабочих телах с двумя вариантами подогрева конденсата ОРТ перед КУ по составленной методике, получены и проанализированы зависимости абсолютного электрического КПД ПГУ брутто и нетто, электрической мощности ПГУ брутто и нетто от начального и конечного давлений водяного пара, от температуры конденсации ОРТ в воздушном конденсаторе.
В четвертой главе по составленной методике проведены параметрические исследования воздушного конденсатора при конденсации в нем различных рабочих веществ, произведены расчеты в программе, получены графические зависимости массовых и объемных расходов теплоносителей, количество секций и коэффициента теплопередачи воздушного конденсатора от скорости и температуры охлаждающего воздуха; построена и проанализирована зависимость аэродинамического сопротивления секции от скорости воздуха.
В пятой главе по составленной программе комплексного расчета системы ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах и регенеративным подогревом ОРТ проведены параметрические исследования и получены зависимости абсолютного электрического КПД нетто и брутто, электрической мощности ПГУ брутто и нетто, электрической мощности ЦНД от температуры охлаждающего воздуха. Проведено сравнение экономичности и выработки электроэнергии ПГУ-ВК и ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом в климатических условиях г. Сургут. Построены и проанализированы зависимости мощности, КПД и выработки электроэнергии на данных ПГУ от среднемесячных температур г. Сургут.
В заключении приведены основные итоги диссертационной работы.
1. Проведен обзор современных научных исследований по применению и совершенствованию ПГУ, ВК и ОРТ на ТЭС для выбора наиболее достоверных методик их расчета.
2. Проанализированы свойства органических рабочих тел для определения возможности их работы в нижнем цикле утилизационной ПГУ при условии конденсации в воздушном конденсаторе.
3. Разработана тепловая схема ПГУ с циклами на трех рабочих телах в двух
модификациях: с подогревом ОРТ перед экономайзером КУ путем рециркуляции конденсата и подогревом его в регенеративном подогревателе. Представлено теоретическое обоснование тепловой эффективности ПГУ с циклами на трех рабочих телах. Выведено уравнение, позволяющее оценить КПД такой ПГУ и определить пути ее совершенствования. Полученная зависимость отражает влияние КПД отдельных циклов и элементов, связывающих данные циклы на КПД ПГУ. Разработана методика расчета тепловой схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах, на основе которой написаны методика и программа расчета схемы ПГУ. Параметрические исследования показали, что схема ПГУ с регенеративным подогревом конденсата ОРТ перед экономайзером низкого давления КУ имеет КПД нетто на 0,41 % выше, чем схема с рециркуляцией. Определено, что наилучшим рабочим телом для нижнего цикла является фреон R365mfc. Исследовалось влияние начального давления водяного пара для КУ в диапазоне от 8 до 20 МПа на КПД ПГУ для двух вариантов подогрева конденсата ОРТ перед КУ: с регенеративным смешивающим подогревателем и рециркуляцией. Для ПГУ с
регенеративным подогревом конденсата ОРТ во всем диапазоне исследуемых начальных давлений КПД нетто составляет от 61,39 % при 8 МПа до 62,32 % при начальном давлении 20 МПа, при этом электрическая мощность нетто изменяется от 777 МВт до 789 МВт. Для дальнейших исследований были приняты три начальных давления 6, 12, 18 МПа. Оптимальным диапазоном давления водяного пара на выходе из ЦВД является 0,15-0,30 МПа. При снижении давления конденсации водяного пара в испарителе ОРТ ниже 0,10 МПа КПД нетто ПГУ снижается с 62,1 % до 61,9 %. Это связано со снижением температуры подвода тепла в нижнем цикле ОРТ. При давлении конденсации водяного пара в испарителе ОРТ 0,2 МПа достигаются наибольшие значения КПД нетто 62,1 % и электрической мощности ПГУ 786,5 МВт. Температура конденсации ОРТ в ВК оказывает большее влияние на эффективность, чем начальное и конечное давление водяного пара. В интервале температур конденсации в конденсаторе ОРТ от -20 до +30 °С КПД нетто падает от 63,61 % до 60,75 %. При начальном давлении водяного пара 18 МПа, давлении конденсации в испарителе ОРТ 0,2 МПа, при работе нижнего цикла на фреоне R365mfc и температуре конденсации от 0 до +20 °С КПД нетто ПГУ с циклами на трех рабочих телах составляет от 61,74 % до 63,26 %. В то время как для ПГУ с ГТУ 9HA.02 с трехконтурным КУ и Ш! максимальный КПД нетто составляет 61,8 %.
4. Разработана методика расчета ВК для условий конденсации в нем разных видов ОРТ. Параметрические исследования показали, что выбор вида ОРТ, скорости и температуры охлаждающего воздуха при проектировании ВК существенно влияют на его капитальные затраты и технико-экономические показатели. Выявлено, что пентан, R245ca и R365mfc обладают наилучшими термодинамическими и термо-физическими параметрами при условии конденсации в воздушном конденсаторе при изменении режимных параметров.
5. Разработана методика комплексного расчета системы ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах и конденсацией ОРТ в ВК с регенеративным подогревом ОРТ перед КУ. Проведенные исследования для системы ПГУ-ВК при изменении температуры охлаждающего воздуха показали, что снижение температуры охлаждающего воздуха пропорционально увеличивает КПД и мощность ПГУ. Наилучшие показатели получены при работе нижнего цикла на фреоне R365mfc. При изменении температуры охлаждающего воздуха от +30 до -30 °С КПД брутто изменяется от 61,1 до 66,1 %, а КПД нетто от 60 до 64,8 %. Откуда следует, что при температурах охлаждающего воздуха ниже 10 °С исследуемая ПГУ будет иметь КПД нетто выше, чем ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом пара на базе ГТУ GE 9HA.02. Работа нижнего цикла на R365mfc позволяет повысить КПД нетто на 0,4 % по сравнению с работой на пентане и на 0,5 % по сравнению с работой на R245ca. Работа нижнего цикла на R365mfc позволяет иметь электрическую мощность ПГУ нетто на 20 МВт выше по сравнению с работой на пентане и R245ca во всем диапазоне температур охлаждающего воздуха. При изменении температуры охлаждающего воздуха от 30 до -30 °С электрическая мощность ПГУ нетто при работе на R365mfc возрастает с 758 до 820 МВт, а мощность ЦНД с 58 до 121 МВт. Показано, что на ПГУ с ВК годовая выработка электроэнергии выше, чем на ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом. Годовая выработка электроэнергии в климатической зоне г. Сургут на ПГУ-ВК составляет 7088,2 млн кВт-ч против 6896,2 млн кВт-ч, и составляет 191,9 кВт-ч. Данный результат показывает эффективность использования схемы установки с тремя циклами, в которой нижний цикл работает на органическом рабочем теле, а его конденсация происходит в воздушном конденсаторе.
2. Проанализированы свойства органических рабочих тел для определения возможности их работы в нижнем цикле утилизационной ПГУ при условии конденсации в воздушном конденсаторе.
3. Разработана тепловая схема ПГУ с циклами на трех рабочих телах в двух
модификациях: с подогревом ОРТ перед экономайзером КУ путем рециркуляции конденсата и подогревом его в регенеративном подогревателе. Представлено теоретическое обоснование тепловой эффективности ПГУ с циклами на трех рабочих телах. Выведено уравнение, позволяющее оценить КПД такой ПГУ и определить пути ее совершенствования. Полученная зависимость отражает влияние КПД отдельных циклов и элементов, связывающих данные циклы на КПД ПГУ. Разработана методика расчета тепловой схемы ПГУ с циклами на трех рабочих телах, на основе которой написаны методика и программа расчета схемы ПГУ. Параметрические исследования показали, что схема ПГУ с регенеративным подогревом конденсата ОРТ перед экономайзером низкого давления КУ имеет КПД нетто на 0,41 % выше, чем схема с рециркуляцией. Определено, что наилучшим рабочим телом для нижнего цикла является фреон R365mfc. Исследовалось влияние начального давления водяного пара для КУ в диапазоне от 8 до 20 МПа на КПД ПГУ для двух вариантов подогрева конденсата ОРТ перед КУ: с регенеративным смешивающим подогревателем и рециркуляцией. Для ПГУ с
регенеративным подогревом конденсата ОРТ во всем диапазоне исследуемых начальных давлений КПД нетто составляет от 61,39 % при 8 МПа до 62,32 % при начальном давлении 20 МПа, при этом электрическая мощность нетто изменяется от 777 МВт до 789 МВт. Для дальнейших исследований были приняты три начальных давления 6, 12, 18 МПа. Оптимальным диапазоном давления водяного пара на выходе из ЦВД является 0,15-0,30 МПа. При снижении давления конденсации водяного пара в испарителе ОРТ ниже 0,10 МПа КПД нетто ПГУ снижается с 62,1 % до 61,9 %. Это связано со снижением температуры подвода тепла в нижнем цикле ОРТ. При давлении конденсации водяного пара в испарителе ОРТ 0,2 МПа достигаются наибольшие значения КПД нетто 62,1 % и электрической мощности ПГУ 786,5 МВт. Температура конденсации ОРТ в ВК оказывает большее влияние на эффективность, чем начальное и конечное давление водяного пара. В интервале температур конденсации в конденсаторе ОРТ от -20 до +30 °С КПД нетто падает от 63,61 % до 60,75 %. При начальном давлении водяного пара 18 МПа, давлении конденсации в испарителе ОРТ 0,2 МПа, при работе нижнего цикла на фреоне R365mfc и температуре конденсации от 0 до +20 °С КПД нетто ПГУ с циклами на трех рабочих телах составляет от 61,74 % до 63,26 %. В то время как для ПГУ с ГТУ 9HA.02 с трехконтурным КУ и Ш! максимальный КПД нетто составляет 61,8 %.
4. Разработана методика расчета ВК для условий конденсации в нем разных видов ОРТ. Параметрические исследования показали, что выбор вида ОРТ, скорости и температуры охлаждающего воздуха при проектировании ВК существенно влияют на его капитальные затраты и технико-экономические показатели. Выявлено, что пентан, R245ca и R365mfc обладают наилучшими термодинамическими и термо-физическими параметрами при условии конденсации в воздушном конденсаторе при изменении режимных параметров.
5. Разработана методика комплексного расчета системы ПГУ-ВК с циклами на трех рабочих телах и конденсацией ОРТ в ВК с регенеративным подогревом ОРТ перед КУ. Проведенные исследования для системы ПГУ-ВК при изменении температуры охлаждающего воздуха показали, что снижение температуры охлаждающего воздуха пропорционально увеличивает КПД и мощность ПГУ. Наилучшие показатели получены при работе нижнего цикла на фреоне R365mfc. При изменении температуры охлаждающего воздуха от +30 до -30 °С КПД брутто изменяется от 61,1 до 66,1 %, а КПД нетто от 60 до 64,8 %. Откуда следует, что при температурах охлаждающего воздуха ниже 10 °С исследуемая ПГУ будет иметь КПД нетто выше, чем ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом пара на базе ГТУ GE 9HA.02. Работа нижнего цикла на R365mfc позволяет повысить КПД нетто на 0,4 % по сравнению с работой на пентане и на 0,5 % по сравнению с работой на R245ca. Работа нижнего цикла на R365mfc позволяет иметь электрическую мощность ПГУ нетто на 20 МВт выше по сравнению с работой на пентане и R245ca во всем диапазоне температур охлаждающего воздуха. При изменении температуры охлаждающего воздуха от 30 до -30 °С электрическая мощность ПГУ нетто при работе на R365mfc возрастает с 758 до 820 МВт, а мощность ЦНД с 58 до 121 МВт. Показано, что на ПГУ с ВК годовая выработка электроэнергии выше, чем на ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом. Годовая выработка электроэнергии в климатической зоне г. Сургут на ПГУ-ВК составляет 7088,2 млн кВт-ч против 6896,2 млн кВт-ч, и составляет 191,9 кВт-ч. Данный результат показывает эффективность использования схемы установки с тремя циклами, в которой нижний цикл работает на органическом рабочем теле, а его конденсация происходит в воздушном конденсаторе.