Портал магистрoв|

ДонНТУ|

Yandex|
<

Автореферат выпускной работы магистра на тему «Исследование схемы источника теплоэлектроснабжения с регулированием нагрузок на базе использования тепловых насосов с целью повышения эффективности использования первичных энергоресурсов» Автор: студент гр. ЭНМ-09м Веретенникова Татьяна Евгеньевна Научный руководитель: д.т.н., профессор Сафьянц Сергей Матвеевич
Введение
Актуальность работы
Степень научной разработанности и нерешенные проблемы
Цели и задачи
Предполагаемая научная новизна
Описание результатов работы
Выводы
Литература

Введение
Актуальность работы Задача снижения потребления первичных энергоресурсов в топливно-энергетическом комплексе любой страны всегда была, есть и остается актуальной. Тем более для Украины, как государства, являющегося лишь частично обеспеченным традиционными видами первичных энергоресурсов, и поэтому вынужденного их импортировать. Данная ситуация усугубляется также высокой энергоемкостью производства, плохим состоянием и комплектацией энергогенерирующих производств и энергораспределяющих систем, значительными размерами неплатежей со стороны потребителей; отсутствием стабильности и прогнозируемости в газовом хозяйстве страны и т. п. При этом нужно учитывать и тот факт, что принципы проектирования систем теплоснабжения, заложенные в советское время, устарели.
Поэтому основные шаги Украины для преодоления всех вышеизложенных проблем должны быть направлены на энергосбережение и повышение энергоэффективности систем теплоснабжения, в чем и может помочь разработка новых методик, критериев, условий и показателей, позволяющих определять при реконструкции старых или проектировании новых систем теплоснабжения оптимальную схему для конкретного потребителя. Здесь необходим системный подход, учитывающий особенности климатических условий, характеристики и свойства потребителя, наличие перспективных энергоресурсов и др.
В частности в работе рассматривается возможность применения когенерационных установок в качестве источника теплоэлектроснабжения как одного из способов повышения эффективности производства тепловой энергии, который может дать значительную, до 40%, экономию топлива. Это является актуальным, в особенности, принимая во внимание, что анализ современных тенденций в энергетике указывает на переход от централизованной к распределенной мини- микро- генерации, максимально приближенной к окончательному потребителю, как на общемировую тенденцию.

Степень научной разработанности и нерешенные проблемы Разработана схема использования теплонасосных установок различного типа в тепловой схеме мини-ТЭЦ, выполняющая задачу регулирования относительного производства тепловой и электрической энергии. Также разработана методика определения рабочих показателей тепловой схемы в зависимости от характеристик оборудования, режимов работы и регулирования нагрузок.
Проблемы: разрабатываются критерии и аналитические выражения, на основании которых будет происходить проектирование конкретного оборудования (мощности, выполняемые нагрузки, режимы работы и т. п.).

Цели и задачи
Цель данной работы состоит в повышении эффективности использования первичных энергоресурсов в системах генерации тепловой и электрической энергии, а также в повышении энергетической безопасности, улучшении экологической обстановки.
Для достижения указанной цели в магистерской работе поставлены и решены следующие задачи:
  1. разработка критериев эффективности производства тепла и электроэнергии в комбинированном цикле с учетом характеристик потребителей;
  2. определение условий целесообразного внедрения когенерационных технологий и требований к характеристикам оборудования;
  3. совершенствование методологии проектирования источников теплоэлектроснабжения;
  4. изучение возможностей регулирования с использованием тепловых насосов соотношения производства электрической и тепловой энергии в комбинированном цикле.
Предмет исследования – система критериев, условий и показателей, а также методология, позволяющие определять эффективность систем теплоснабжения и разрабатывать рекомендации по их усовершенствованию с использованием как когенерационных, так и других альтернативных технологий, с целью снижения потребления топливных ресурсов, повышения надежности и безопасности теплоснабжения, улучшения состояния окружающей среды и др.
Методы исследования включают создание математических моделей, сравнительный анализ результатов, численные методы, термодинамический анализ, экономический анализ.

Предполагаемая научная новизна
Научная новизна уже проведенных и планируемых в работе исследований предполагается в следующем:
Описание результатов работы
Удовлетворение нагрузки отопления от ТЭЦ с использованием тепловых насосов В схеме источника теплоэлектроснабжения тепловой насос является элементом, позволяющим регулировать соотношение производства тепловой и электрической энергии. Учитывая различную стоимость электроэнегии в различное время суток, тепловой насос позволяет оптимизировать режим работы ТЭЦ с целью получения максимальной прибыли.
Принципиальная схема включения теплонасосной и когенерационной установок показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема включения теплонасосной и когенерационной установок
Теплонасосная установка (ТНУ) является первой ступенью нагрева сетевой воды. Это связано с тем, что эффективность работы ТНУ тем выше, чем меньше разница температур между низкопотенциальным источником тепла и нагреваемым теплоносителем. Тепловой насос, охлаждая низкотемпературный источник тепловой энергии от tи1 до tи2., нагревает сетевую воду от до . Далее сетевая вода поступает в когенерационную установку, где нагревается до температуры .
В системе КГУ-ТНУ соответствующий удельный расход условного топлива будет определяться выражением:
, г.у.т./кВт∙ч(1) Соответственно, удельный расход условного топлива на производство электрической энергии внутри системы будет определяться по формуле:
, г.у.т./кВт∙ч,(2)
где - тепловой КПД когенерационной установки,
- электрический КПД когенерационной установки,
- тепловой коэффициент ТНУ.
Как видим, удельный расход условного топлива зависит от энергетических показателей работы когенерационной установки - , а также показателя, характеризующего эффективность работы теплового насоса - . И зависимость от последнего коэффициента наиболее интересна.
На рисунке 2 показана зависимость удельного расхода топлива на 1 кВт•ч выработанной тепловой и электрической энергии от теплового коэффициента теплового насоса при использовании когенерационной установки с показателями =0,4 и =0,45.

Рисунок 2 - Зависимость удельного расхода топлива на 1 кВт•ч выработанной тепловой и электрической энергии от теплового коэффициента в схеме КГУ-ТНУ
Как видим, увеличение эффективности преобразования энергии в тепловом насосе ведет к снижению удельного расхода условного топлива на производство тепла, однако увеличивает удельный расход условного топлива на производство электроэнергии внутри цикла.
Рассмотрим ситуацию, когда имеется необходимость работы в режиме ТЭЦ, то есть с осуществлением нагрузки электроснабжения. В этом случае, необходимо увеличить мощность когенерационной установки, а дополнительно производимая ею тепловая энергия, будет замещать энергию, производимую тепловым насосом. Соответственно мощность теплового насоса будет снижена. В итоге ТЭЦ по-прежнему выполняет нагрузку теплоснабжения, но, помимо этого, производит для потребителей и электроэнергию. Несложно видеть, что увеличение потребления топлива, связанное с дополнительным производством электроэнергии, будет также определяться выражением (2). Дальнейшее увеличение электрической мощности ТЭЦ, вплоть до полной остановки теплового насоса не приведет к изменению выражений (1) и (2). А сам тепловой насос выступает лишь фактором конкурентного использования электроэнергии: выдавать потребителю или использовать для производства тепла.
Таким образом, если вся тепловая и электрическая энергии, производимые теплоэлектроцентралью, будут потребляться, необходимость в установке на ТЭЦ теплового насоса отсутствует. Но даже в этом случае, исследование возможности использования теплового насоса необходимо, а сам он выступает критерием, используемым для разделения расхода топлива на производство тепла и электроэнергии при когенерации.
Более того, поскольку сам потребитель, в первую очередь, заинтересован в снижении затрат за потребляемую тепловую энергию, а также учитывая тот факт, что в большинстве случаев использование теплового насоса у потребителя более эффективно, чем на ТЭЦ (здесь и потери, связанные с транспортом тепла, и возможность использования теплового насоса для утилизации тепла тепловых выбросов, осуществления нагрузки кондиционирования и т.д.), то характеристика условного теплового насоса должна отражать потенциал его применения потребителем. Другими словами, возможность конкурентного использования электроэнергии потребителем для нужд теплоснабжения, как его характеристика, должна служить критерием в предлагаемом методе разделения расхода топлива при когенерации на основании выражений (1) и (2).
Вернемся к принципиальной схеме включения теплонасосной и когенерационной установок на рисунке 1. Рассмотрим вариант с компрессионными тепловыми насосами, так как для их привода необходима электроэнергия, вырабатываемая КГУ. Большинство компрессионных тепловых насосов, в зависимости от вида применяемых рабочих тел, имеют ограничение максимальной температуры нагрева воды 55-65 0С.
Доля нагрузки отопления , которую будут нести тепловые насосы в рассматриваемой схеме при условии, что вся электроэнергия, производимая КГУ, будет потребляться приводом ТНУ, с учетом собственных нужд ТЭЦ, определим по формуле:
(3) Температура сетевой воды после теплового насоса будет определяться на основании температурного графика и доли нагрузки отопления, выполняемой тепловыми насосами: (4) Тогда расчетная доля покрытия нагрузки отопления ТНУ будет равна:
(5) Регулирование по температуре мы будем осуществлять, сравнивая две величины - α и α', т. е. путем сравнения доли отопительной нагрузки, которую будет покрывать тепловой насос при текущих условиях, и максимально возможной, т. е. предельной доли отопительной нагрузки, которую может покрыть ТН с учетом ограничения .
Сравнивая эти величины, мы можем оценивать общую эффективность работы всей мини-ТЭЦ. Теперь рассмотрим возможные случаи их соотношения.
: нет избытка выработки электроэнергии, т. е. вся электроэнергия, вырабатываемая КГУ идет на работу ТНУ. При этом избыточная электрическая мощность ТЭЦ .
: существует избыток выработки электроэнергии, чем это необходимо для привода ТН. В этом случае необходимо учитывать существует ли жесткое условие по выдаче электроэнергии в энергосистему:
При этом удельная электрическая мощность ТЭЦ, выдаваемая в энергосистему при расчете на 1МВт расчетной тепловой нагрузки, МВт/МВт, будет равна:
(6) где R – отопительная нагрузка.
При этом первый случай является более убыточным, особенно при условии возможности получения прибыли от продажи электроэнергии во втором.
Выдачу же избыточно производимой электроэнергии в энергосистему целесообразно осуществлять в пиковый период (8-11ч, 20-22ч), покрывая недостающую нагрузку от неэффективных источников, когда это необходимо самой энергосистеме. Т. е. мы не создаем в ней дисбаланс. При этом ТНУ отключают через байпас, тем самым увеличивая количество электроэнергии, подаваемую в сеть, а всю отопительную нагрузку несет КГУ. Это может быть экономически оправданным и в полупиковый период (7-8ч, 11-20ч, 22-23ч).
Что касается ночного периода (23-7ч), например, когда tокр. ср. будет -230С выдача электроэнергии в энергосистему может также оказаться выгодно. Но в основном, на выдачу электроэнергии в сеть в ночное время существует ограничение, тогда она будет также направляться на питание другого оборудования.
Выдача электрической нагрузки в энергосистему при показателе , является вынужденной, и может быть убыточной в отношении производства электроэнергии. В другом случае, при , выдача электроэнергии в сеть будет диктоваться экономической целесообразностью, которая выражается следующим условием:
(7) Учитывая, что удельный расход условного топлива на производство электроэнергии будет определяться выражением несколько преобразованным выражением (3):
,
то данное условие преобразуем к виду:
(8) При этом в выражении (8) коэффициент является коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования энергии топлива в альтернативной схеме источника теплоснабжения у потребителя. Правая часть неравенства (8) определяет ценовой коэффициент производства электроэнергии на ТЭЦ:
(9) Электрическая мощность, которую будет выдавать ТЭЦ в энергосистему при наличии экономической целесообразности работы в таком режиме, будет определяться в зависимости от того, достаточно или не достаточно установленной тепловой мощности КГУ для выполнения тепловой нагрузки отопления.
Если этой мощности достаточно (без учета расхода тепла на собственные нужды и потерь в тепловых сетях), то есть: , то удельная электрическая мощность, отдаваемая ТЭЦ в энергосистему будет:
,(10) где - удельная тепловая мощность КГУ.
Если же установленной тепловой мощности КГУ не достаточно для выполнения отопительной нагрузки, и , то часть тепловой нагрузки отопления будут нести тепловые насосы. В этом случае, доля отопительной нагрузки, выполняемая тепловыми насосами, будет:
.
Далее по формуле (4) будет вычислена температура сетевой воды после ТНУ - , необходимая для определения коэффициента . После этого, удельная электрическая мощность, отдаваемая ТЭЦ в энергосистему может быть найдена по формуле:
(11) С уменьшением температуры наружного воздуха и соответствующим ростом относительной отопительной нагрузки R, эффективность преобразования энергии в большинстве альтернативных схем, которые могут использоваться потребителем, снижается. Это повышает конкурентоспособность ТЭЦ и способствует увеличению количества электрической энергии, которую ТЭЦ может выдавать в энергосистему в данных условиях. Потребность энергосистемы в дополнительных электрогенерирующих мощностях при этом также возрастает. Таким образом, зависимость значения критерия для альтернативной системы отопления от температуры наружного воздуха, может служить естественным фактором регулирования электрической мощности ТЭЦ, выдаваемой в энергосистему.
Количество электроэнергии, которую может выдать ТЭЦ в энергосистему, зависит от многих условий и факторов. Это и наличие экономической целесообразности, и значение электрической мощности, которую может выдать ТЭЦ на базе теплового потребления, которое зависит от текущей отопительной нагрузки и характеристик когенерационных и теплонасосных установок. Блок схема алгоритма определения электрической мощности ТЭЦ, которая может или должна быть выдана в энергосистему, показана на рисунке 3.



Рисунок 3 – Блок-схема определения электрической мощности ТЭЦ, выдаваемой в энергосистему
Таким образом, положительная роль подобного регулирования работы данной схемы очевидна.
Плюсы такой схемы:
Минусы:
Выводы
В работе выполнен анализ возможных способов регулирования соотношения выдаваемых электрической и тепловой мощностей ТЭЦ. Показано, что наиболее эффективным, с позиции расхода топлива, является использование в тепловой схеме тепловых насосов. Предложены новые аналитические выражения для определения расходов топлива при производстве тепловой и электрической энергий в комбинированном цикле, с учетом режимов работы и способов регулирования нагрузок ТЭЦ.
В работе проведены исследования тепловых схем и показателей работы ТЭЦ с использованием тепловых насосов при выполнении различных тепловых нагрузок. Предложены соответствующие методики проектирования.
На основании проведенных исследований предложена методика проектирования источника теплоэлектроснабжения учитывающая альтернатив-ные варианты тепловых схем, которые могут быть реализованы у потребителя.
РРазработанная методика позволяет:

Литература
  1. Вариант реконструкции системы централизованного теплоснабжения. /Сафьянц С.М. ,Колесниченко Н.В., Константинов Г.Е//Математичне моделювання. Дніпродзержинськ: ДДТУ - 2007. - № 1(16). – С. 44-47.
  2. Оптимизация аккумуляционной системы теплоснабжения типового жилого здания/ Гридин С.В., Колесниченко Н.В., Носовская О.А.//Промышленная теплотехника
  3. Перспективы применения когенерации в коммунальном хозяйстве Украины /Колесниченко Н.В., Сафьянц С.М.//Сб. научн. трудов Днепродзержинского ГТУ. Днепродзержинск: ДГТУ.2009
  4. К проблеме эффективности использования альтернативных источников энергии в системах теплоснабжения / Колесниченко Н.В. //Сб.трудов V-й Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» 6-13 июня 2009 г., Варна, Болгария. – Варна 2009г., Т1с. 592-594
  5. Преимущества и недостатки внедрения когенерационных технологий в Украине /Сафьянц С.М. ,Колесниченко Н.В., Константинов Г.Е//Всеук. Науч-техн.журнал «Энергосбережение», №8, с.28-29
  6. Особенности применения когенерации в коммунальном хозяйстве Украины/ КолесниченкоН.В.// Сб.трудов IV-й Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» 30мая-06 июня 2008 г., Варна, Болгария. – Варна 2008г., Т1
  7. Пристрій регулювання роботи теплопункту при відкритій системі теплопостачання . Деклараційний патент на корисну модель / Саф’янц С.М., Попов А.Л., Сафонова О.К., Безбородов Д.Л., Боєв Ю.А., Рєпін Ю.С. №12207, заявл. 16.10.2008
  8. http://www.energo.net.ua/
  9. http://newenergetika.narod.ru/
  10. http://www.energija.ru/
  11. http://heatpumps.com.ua/

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное ее завершение состоится 1 декабря 2010 г. Текст и материалы данной работы могут быть получены у автора или его руководителя после этой даты.

Вверх...