Портал магистрів|

ДонНТУ|

Yandex|

Автореферат випускної роботи магістра на тему "Дослідження схеми джерела теплоелектропостачання з регулюванням навантажень на базі використання теплових насосів з метою підвищення ефективності використання первинних енергоресурсів" Автор: студент гр. ЕНМ-09м Веретеннікова Тетяна Євгенівна Науковий керівник: д.т.н., професор Саф′ янц Сергій Матвійович
Вступ
Актуальність роботи
Міра наукової розробленості та невирішені проблеми
Цілі й завдання
Передбачувана наукова новизна
Опис результатів роботи
Висновки
Література

Вступ
Актуальність роботи Завдання зниження споживання первинних енергоресурсів в паливно-енергетичному комплексі будь-якої країни завжди було, є і залишається актуальним. Тим паче для України, як держави, що є лише частково забезпеченою традиційними видами первинних енергоресурсів, і тому вимушеної їх імпортувати. Ця ситуація посилюється також високою енергоємністю виробництва, поганим станом і комплектацією енергогенеруючих виробництв і енергорозподіляючих систем, значними розмірами неплатежів з боку споживачів; відсутністю стабільності і прогнозованості в газовому господарстві країни і т. п. При цьому треба враховувати й той факт, що принципи проектування систем теплопостачання, закладені за радянських часів, застаріли.
Тому основні кроки України для подолання усіх вищевикладених проблем мають бути спрямовані на енергозбереження і підвищення енергоефективності систем теплопостачання, в чому і може допомогти розробка нових методик, критеріїв, умов і показників, що дозволяють визначати при реконструкції старих або проектуванні нових систем теплопостачання оптимальну схему для конкретного споживача. Тут потрібно застосовувати системний підхід, що враховує особливості кліматичних умов, характеристики і властивості споживача, наявність перспективних енергоресурсів та ін.
Зокрема в роботі розглядається можливість застосування когенераційних установок як джерела теплоелектропостачання як одного із способів підвищення ефективності виробництва теплової енергії, який може дати значну, до 40%, економію палива. Це є актуальним, особливо, зважаючи, що аналіз сучасних тенденцій в енергетиці вказує на перехід від централізованої до розподіленої міні- мікро- генерації, максимально наближеної до остаточного споживача, як на загальносвітову тенденцію. Міра наукової розробленості та невирішені проблеми Розроблена схема використання теплонасосних установок різного типу в тепловій схемі МІНІ-ТЕЦ, що виконує завдання регулювання відносного виробництва теплової і електричної енергії. Також розроблена методика визначення робочих показників теплової схеми залежно від характеристик устаткування, режимів роботи і регулювання навантажень.
Проблеми: розробляються критерії і аналітичні вирази, на підставі яких відбуватиметься проектування конкретного устаткування (потужності, виконувані навантаження, режими роботи і т. п.).

Цілі та завдання
Мета цієї роботи полягає в підвищенні ефективності використання первинних енергоресурсів у системах генерації теплової та електричної енергії, а також у підвищенні енергетичної безпеки, поліпшенні екологічної ситуації.
Для досягнення вказаної мети в магістерській роботі поставлені і вирішені наступні завдання:
  1. розробка критеріїв ефективності виробництва тепла й електроенергії у комбінованому циклі з урахуванням характеристик споживачів;
  2. визначення умов доцільного впровадження когенераційних технологій і вимог до характеристик устаткування;
  3. вдосконалення методології проектування джерел теплоелектропостачання;
  4. вивчення можливостей регулювання з використанням теплових насосів співвідношення виробництва електричної і теплової енергії у комбінованому циклі.
Предмет дослідження - система критеріїв, умов і показників, а також методологія, що дозволяють визначати ефективність систем теплопостачання і розробляти рекомендації по їх удосконаленню з використанням як когенераційних, так й інших альтернативних технологій, з метою зниження споживання паливних ресурсів, підвищення надійності та безпеки теплопостачання, поліпшення стану довкілля та ін.
Методи дослідження включають створення математичних моделей, порівняльний аналіз результатів, чисельні методи, термодинамічний аналіз, економічний аналіз.

Передбачувана наукова новизна
Наукова новизна вже проведених і запланованих у роботі досліджень передбачається в наступному:
Опис результатів роботи
Задоволення навантаження опалювання від ТЕЦ з використанням теплових насосів У схемі джерела теплоелектропостачання тепловий насос є елементом, що дозволяє регулювати співвідношення виробництва теплової і електричної енергії. Враховуючи різну вартість електроенегії в різний час доби, тепловий насос дозволяє оптимізувати режим роботи ТЕЦ з метою отримання максимального прибутку.
Принципова схема включення теплонасосной та когенераційної установок показана на малюнку 1.

Малюнок 1 - Принципова схема включення теплонасосної та когенераційної установок
Теплонасосна установка (ТНУ) є першим ступенем нагріву мережевої води. Це пов'язано з тим, що ефективність роботи ТНУ тим вище, чим менше різниця температур між низкопотенциальным джерелом тепла і теплоносієм, що нагрівається. Тепловий насос, охолоджуючи низькотемпературне джерело теплової енергії від tи1 до tи2., нагріває мережеву воду від до . Далі вода поступає у когенераційну установку, де нагрівається до температури .
У системі КГУ-ТНУ відповідна питома витрата умовного палива визначатиметься наступним чином:
, г.у.т./кВт∙ч(1) Відповідно, питома витрата умовного палива на виробництво електричної енергії усередині системи визначатиметься по формулі:
, г.у.т./кВт∙ч,(2)
де - тепловий ККД когенерационной установки,
- електричний ККД когенераційної установки,
- тепловий коефіцієнт ТНУ.
Як бачимо, питома витрата умовного палива залежить від енергетичних показників роботи когенераційної установки - , а також показника, що характеризує ефективність роботи теплового насоса - . І залежність від останнього коефіцієнта найцікавіша.
На малюнку 2 показана залежність питомої витрати палива на 1 кВт-ч виробленої теплової і електричної енергії від теплового коефіцієнта теплового насоса при використанні когенераційної установки з показниками =0,4 і =0,45.

Малюнок 2 - Залежність питомої витрати палива на 1 кВт-ч виробленої теплової та електричної енергії від теплового коефіцієнта в схемі КГУ-ТНУ
Як бачимо, збільшення ефективності перетворення енергії в тепловому насосі веде до зниження питомої витрати умовного палива на виробництво тепла, проте збільшує питому витрату умовного палива на виробництво електроенергії усередині циклу.
Розглянемо ситуацію, коли є необхідність роботи в режимі ТЕЦ, тобто зі здійсненням навантаження електропостачання. У цьому випадку, необхідно збільшити потужність когенераційної установки, а додатково вироблювана нею теплова енергія, заміщатиме енергію, вироблювану тепловим насосом. Відповідно потужність теплового насоса буде понижена. У результаті, ТЕЦ як і раніше виконує навантаження теплопостачання, але, окрім цього, виробляє для споживачів й електроенергію. Нескладно зазначити, що збільшення споживання палива, пов'язане з додатковим виробництвом електроенергії, також визначатиметься вираженням (2). Подальше збільшення електричної потужності ТЕЦ, аж до повної зупинки теплового насоса не приведе до зміни виразів (1) і (2). А сам тепловий насос виступає лише чинником конкурентного використання електроенергії : видавати споживачеві або використовувати для виробництва тепла.
Таким чином, якщо вся теплова та електрична енергії, що виробляються теплоелектроцентраллю, споживатимуться, необхідність в установці на ТЕЦ теплового насоса відсутня. Але навіть у цьому випадку, дослідження можливості використання теплового насоса потрібне, а сам він виступає критерієм, використовуваним для розподілу витрати палива на виробництво тепла і електроенергії при когенерації.
Більше того, оскільки сам споживач, в першу чергу, зацікавлений у зниженні витрат за споживану теплову енергію, а також враховуючи той факт, що у більшості випадків використання теплового насоса у споживача ефективніше, ніж на ТЕЦ (тут і втрати, пов'язані з транспортом тепла, і можливість використання теплового насоса для утилізації тепла теплових викидів, здійснення навантаження кондиціонування і так далі), то характеристика умовного теплового насоса повинна відбивати потенціал його застосування споживачем. Іншими словами, можливість конкурентного використання електроенергії споживачем для потреб теплопостачання, як його характеристика, повинна служити критерієм у запропонованому методі розподілу витрати палива при когенерації на підставі виразів (1) і (2).
Повернемося до принципової схеми включення теплонасосної та когенераційної установок на малюнку 1. Розглянемо варіант з компресійними тепловими насосами, оскільки для їх приводу потрібна електроенергія, що виробляється КГУ. Більшість компресійних теплових насосів, залежно від виду вживаних робочих тіл, мають обмеження максимальної температури нагріву води 55-65 0С.
Доля навантаження опалювання , яку нестимуть теплові насоси в даній схемі за умови, що уся електроенергія, що виробляється КГУ, споживатиметься приводом ТНУ, з урахуванням власних потреб ТЕЦ, визначимо по формулі:
(3) Температура мережевої води після теплового насоса визначатиметься на підставі температурного графіку і долі навантаження опалювання, що виконується тепловими насосами: (4) Тоді розрахункова доля покриття навантаження опалювання ТНУ буде рівна:
(5) Регулювання по температурі ми здійснюватимемо, порівнюючи дві величини - α і α', тобто шляхом порівняння долі опалювального навантаження, яке покриватиме тепловий насос за поточних умов, і максимально можливої, тобто граничної долі опалювального навантаження, яке може покрити ТН з урахуванням обмеження .
Порівнюючи ці величини, ми можемо оцінювати загальну ефективність роботи усієї МІНІ-ТЕЦ. Тепер розглянемо можливі випадки їх співвідношення.
: немає надлишку вироблення електроенергії, тобто вся електроенергія, що виробляється КГУ, йде на роботу ТНУ. При цьому надмірна електрична потужність ТЕЦ .
: існує надлишок вироблення електроенергії, ніж це необхідно для приводу ТН. У цьому випадку необхідно враховувати чи існує чітко обмежуюча умова по видачі електроенергії в енергосистему:
При цьому питома електрична потужність ТЕЦ, що видається в енергосистему при розрахунку на 1МВт розрахункового теплового навантаження, МВт/МВт, буде рівна:
(6) де R - опалювальне навантаження.
При цьому перший випадок є збитковішим, особливо за умови можливості отримання прибутку від продажу електроенергії у другому.
Видачу ж надмірно вироблюваної електроенергії в енергосистему доцільно здійснювати в піковий період (8-11ч, 20-22ч), покриваючи бракуюче навантаження від неефективних джерел, коли це необхідно самій енергосистемі. Тобто ми не створюємо в ній дисбаланс. При цьому ТНУ відключають через байпас, тим самим збільшуючи кількість електроенергії, що подається в мережу, а усе опалювальне навантаження несе КГУ. Це може бути економічно виправданим й у напівпіковий період (7-8ч, 11-20ч, 22-23ч).
Що стосується нічного періоду (23-7ч), наприклад, коли tокр. ср. буде -23 0С видача електроенергії в енергосистему може також виявитися вигідною. Але в основному, на видачу електроенергії в мережу в нічний час існує обмеження, у цьому випадку вона також прямуватиме на живлення іншого устаткування.
Видача електричного навантаження в енергосистему при показнику , є вимушеною, і може бути збитковою відносно виробництва електроенергії. У іншому випадку, при , видача електроенергії в мережу диктуватиметься економічною доцільністю, яка виражається наступною умовою:
(7) Враховуючи, що питома витрата умовного палива на виробництво електроенергії визначатиметься дещо вдосконаленим вираженням (3) :
, то цю умову перетворимо до виду:
(8) При цьому у вираженні (8) коефіцієнт є коефіцієнтом, що характеризує ефективність перетворення енергії палива в альтернативній схемі джерела теплопостачання у споживача. Права частина нерівності (8) визначає ціновий коефіцієнт виробництва електроенергії на ТЕЦ:
(9) Електрична потужність, яку видаватиме ТЕЦ в енергосистему за наявності економічної доцільності роботи в такому режимі, визначатиметься залежно від того, достатньо або не достатньо встановленої теплової потужності КГУ для виконання теплового навантаження опалювання.
Якщо цієї потужності вистачає (без урахування витрати тепла на власні потреби і втрат у теплових мережах), тобто: , то питома електрична потужність, ТЕЦ, що віддається, в енергосистему буде:
,(10) де - питома теплова потужність КГУ.
Якщо ж встановленої теплової потужності КГУ не вистачає для виконання опалювального навантаження, і , то частину теплового навантаження опалювання нестимуть теплові насоси. У цьому випадку, доля опалювального навантаження, що виконується тепловими насосами, буде:
.
Далі по формулі (4) буде вичислена температура мережевої води після ТНУ - , необхідна для визначення коефіцієнта . Після цього, питома електрична потужність, ТЕЦ, що віддається, в енергосистему може бути знайдена по формулі:
(11) Зі зменшенням температури зовнішнього повітря і відповідним зростанням відносного опалювального навантаження R, ефективність перетворення енергії у більшості альтернативних схем, які можуть використовуватися споживачем, знижується. Це підвищує конкурентоспроможність ТЕЦ і сприяє збільшенню кількості електричної енергії, яку ТЕЦ може видавати в енергосистему в цих умовах. Потреба енергосистеми у додаткових електрогенеруючих потужностях при цьому також зростає. Таким чином, залежність значення критерію для альтернативної системи опалювання від температури зовнішнього повітря, може служити природним чинником регулювання електричної потужності ТЕЦ, що видається в енергосистему.
Кількість електроенергії, яку може видати ТЕЦ в енергосистему, залежить від багатьох умов і чинників. Це і наявність економічної доцільності, і значення електричної потужності, яку може видати ТЕЦ на базі теплового споживання, яке залежить від поточного опалювального навантаження і характеристик когенераційних і теплонасосних установок. Блок схема алгоритму визначення електричної потужності ТЕЦ, яка може або має бути видана в енергосистему, приведена на малюнку 3.



Малюнок 3 - Блок-схема визначення електричної потужності ТЕЦ, що видається в енергосистему
Таким чином, позитивна роль подібного регулювання роботи цієї схеми очевидна.
Плюси такої схеми :
Мінуси:
Висновки
У роботі виконан аналіз можливих способів регулювання співвідношення виробництва електричної та теплової потужностей ТЕЦ. Показано, що найбільш ефективним, з позиції витрати палива, є використання в тепловій схемі теплових насосів. Запропоновані нові аналітичні вирази для визначення витрат палива при виробництві теплової і електричної енергій у комбінованому циклі, з урахуванням режимів роботи і способів регулювання навантажень ТЕЦ.
У роботі проведені дослідження теплових схем і показників роботи ТЕЦ з використанням теплових насосів при виконанні різних теплових навантажень. Запропоновані відповідні методики проектування.
На підставі проведених досліджень запропонована методика проектування джерела теплоелектропостачання, що враховує альтернативні варіанти теплових схем, які можуть бути реалізовані у споживача.
Розроблена методика дозволяє:

Література
  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 написанні цього автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне її завершення відбудеться 1 грудня 2010 р. Текст і матеріали цієї роботи можуть бути отримані у автора або його керівника після цієї дати. Нагору...