Автореферат (Исследование и оптимизация теплонасосных установок в структуре схем ПГУ-ТЭЦ)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыТепловые электрические станции – основа отечественной энергетики. Основнымтопливом для ТЭС является природный газ. Структура его потребления к 2030 г.изменится незначительно, при этом доля ТЭС в России на природном газе составит67 % ТЭС на органическом топливе. Интенсивное использование органическоготоплива, а также его ограниченные запасы, формируют необходимостьисследования методов по сокращению его потребления.

Таким образом, на ТЭСодной из первостепенных задач является увеличение эффективности использованияпервичных энергоресурсов. Существует ряд способов, направленныхна достижение данной цели, один из них – использование тепловых насосовнепосредственно на ТЭС. Необходимо отметить, что данная мера актуальна как дляуже существующих станций, так и для строящихся: паросиловых и парогазовыхэнергообъектов.

Указанные типы станций характеризуются наличием ряданизкопотенциальных источников теплоты, которые можно полезно использоватьдля различных нужд: дополнительного отпуска теплоты, собственных нуждстанции. Кроме того, в отличие от паросиловых ТЭЦ, на ПГУ-ТЭЦ применениетепловых насосов имеет дополнительную возможность реализации отпуска теплоты потребителю. На рис. 1 приведена типовая зависимость соотношения тепловойи электрической нагрузок территориальной генерирующей компании (ТГК).Из приведенных данных видно, что тепловая нагрузка в течение года значительнопревалирует над электрической. Соотношение отпуска электроэнергии и теплотыотопительный период изменяется от 1,2 до 3 раз.*Отношение потребления электрической энергии и теплоты по месяцам в году к их максимальнымзначениям в течение годаРисунок 1 – Типовое соотношение теплоты и электроэнергии крупной энергосистемыв течение годаЭту сложившуюся закономерность по энергетическим потребностям стоитучитывать при модернизации существующих ТЭЦ по парогазовой технологии,где соотношение мощностей имеет обратную закономерность.

Например, паросиловой блок с турбиной Т-250/300-240 позволяет вырабатывать 330 Гкал/чтепловой энергии, а блок ПГУ-400 – 180…280 Гкал/ч. Таким образом, применение ТНУ является одним из возможных вариантов обеспечения требуемойтепловой нагрузки для потребителя.3Цель работы – исследование и оптимизация теплонасосных установок в структуре схем ПГУ-ТЭЦ для обеспечения тепловой нагрузки потребителя и увеличенияэффективности комбинированной выработки теплоты и электрической энергии.Основные задачи диссертационной работы:1.

Разработать схемные решения ПГУ-ТЭЦ с ТНУ для комбинированного производства тепловой и электрической энергии.2. Разработать методику определения показателей эффективности схем ПГУ–ТЭЦс ТНУ. Разработать математическую модель схемы ПГУ-ТЭЦ с ТНУ.3. Выполнить исследование и анализ показателей технико-экономической эффективности разработанных схем ПГУ-ТЭЦ с ТНУ.4. Провести оптимизационное исследование схемных решений ПГУ-ТЭЦ с ТНУ.5. Провести исследование и анализ финансово-экономических показателей схемПГУ-ТЭЦ с ТНУ.Научная новизна работы1. Впервые разработана методика расчета ПГУ-ТЭЦ с ТНУ как единогокомплекса для выработки электроэнергии и теплоты. Разработан алгоритм расчетаПГУ-ТЭЦ совместно с ТНУ.

Проведен анализ существующих методов оценкитехнико-экономических показателей теплоэлектроцентралей, на основе которогоотобраны критерии оценки эффективности схем ПГУ-ТЭЦ с ТНУ. Впервыеприменен способ определения затрат топлива на отпуск тепловой и электрическойэнергии для ПГУ-ТЭЦ с ТНУ по критерию суммарного расхода топлива посистемному эффекту. Предложена методика оценки финансово-экономическойэффективности ПГУ-ТЭЦ с ТНУ на основе интегральных дисконтированныхпоказателей.2.

Создана комплексная математическая модель ПГУ-ТЭЦ с ТНУ. Определеныи проанализированы показатели тепловой экономичности для ПГУ электрическоймощностью 110 МВт на примере климатических регионов России: «Центр», «Урал»,«Юг». Технико-экономические показатели определены для всего года, а такжепо сезонам. Произведен выбор типа ТНУ, источника низкопотенциальной теплоты,вида хладагента, схемы включения. Для реализации цели исследования выбранасхема ПГУ-ТЭЦ с парокомпрессионной электроприводной ТНУ на природномхладагенте (бутан). Источник низкопотенциальной теплоты – циркуляционная водаконденсатора паровой турбины.3. Впервые разработаны способы оптимизации схемных решений ПГУ-ТЭЦс ТНУ. Рассмотрены способы параметрической оптимизации ТНУ, направленные насокращение затрат электроэнергии на привод компрессора.

Впервые рассмотренавозможность использования электроприводной парокомпрессионной ТНУ длярасширения регулировочного диапазона ПГУ-ТЭЦ. Предложено использованиеПГУ-ТЭЦ с ТНУ для прохождения провалов потребления электроэнергии дляувеличения отпуска теплоты от ТНУ в условиях оптового рынка электроэнергии имощности.4.

Проведен расчет экономической эффективности схемных решений ПГУ-ТЭЦс ТНУ в соответствии с выбранной конфигурацией.4Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендацийобеспечивается применением апробированных методов математическогомоделирования и сертифицированного программного обеспечения.Практическая ценность работы1. Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованыпроектными и научно-исследовательскими организациями при разработке новыхсхемных решений и схем техперевооружения существующих ТЭЦ с применениемТНУ.2.

Разработанная математическая модель ПГУ-ТЭЦ используется для проведениянаучно-исследовательских работ, проводимых на кафедре ТЭС ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ».3. Результаты работы и разработанные компьютерные модели используютсяв учебном процессе при подготовке специалистов-энергетиков на кафедре Тепловыхэлектрических станций ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Личный вклад автора в работуЛичный вклад автора: разработка схем ПГУ-ТЭЦ с ТНУ для комбинированного производства тепловой и электрической энергии; разработка методики и алгоритма расчета схем ПГУ-ТЭЦ с ТНУ; выбор источника низкопотенциальной теплоты, вида хладагента ТНУ и схемывключения ТНУ в схему ПГУ-ТЭЦ для комбинированного производства тепловойи электрической энергии; создание комплексной расчетной модели схемы ПГУ-ТЭЦ с ТНУ; расчетное исследование схем ПГУ-ТЭЦ с ТНУ для различных регионов России и анализ полученных показателей тепловой экономичности; оптимизация схемных решений ПГУ-ТЭЦ с ТНУ; финансово-экономический расчет эффективности ПГУ-ТЭЦ с ТНУ.Апробация работы и публикацииРезультаты работы докладывались на ХVIII международной научно-техническойконференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2012 г., ФГБОУВО «НИУ «МЭИ», г.

Москва), на специализированной научно – практическойконференции «Современные технологии – основа повышения надежности,эффективности и безопасности оборудования ТЭС» (2012 г., ОАО «ВТИ»,г. Москва), на конференции с международным участием «VIII Всероссийскийсеминар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (2013 г., УрФУ, г. Екатеринбург),на научном семинаре кафедры ТЭС ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» (16 декабря 2014 г.,г.

Москва), заседании кафедры ТЭС ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» (8 июня 2015 г.,г. Москва).Результаты диссертационной работы использованы в Отчете о НИР по гранту«Разработка схем энергогенерирующих установок комбинированного производстваэлектроэнергии и теплоты для модульных теплофикационных ПГУ мощностью 25–170 МВт с использованием теплонасосных установок», государственный контракт5№ 16.516.11.6125 (2012 г.), в Отчете по НИОКР «Разработка перспективныхтехнических решений, направленных на повышение энергоэффективностиобъектов» № 1201263631 (2012–2013 гг.), в НИР для ОАО «Интер РАО»«Исследование, разработка и создание опытно-промышленного образцаэнергогенерирующей установки на базе ТНУ для ПГУ» (2012–2013 гг.)По результатам диссертации имеется 21 публикация, в том числе две публикациив изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК, и два патента на полезную модель.Структура и объем диссертацииРабота состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованнойлитературы и приложений.

Содержание работы изложено на 158 страницахмашинописного текста. Список литературы содержит 143 наименования.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении рассмотрены перспективы развития теплонасосных технологийна ПГУ-ТЭЦ. Показана актуальность использования теплонасосных технологийв структуре энергоблока для отпуска дополнительной теплоты потребителю.В первой главе проведен анализ состояния отечественной энергетики и показана актуальность применения энергосберегающих технологий на основеТНУ.

Рассмотрены и систематизированы результаты существующих диссертационных и исследовательских работ, а также разработок по использованиюТНУ. В настоящее время в мире насчитывается порядка 400 компанийпроизводителей тепловых насосов, большая часть из которых производит тепловые насосы малой теплопроизводительности (до 100 кВт) для децентрализованного (автономного) теплоснабжения индивидуальных потребителей. Развитие производства мощных тепловых насосов происходило, в основном, в странах Европы для нужд централизованного теплоснабжения жилых микрорайонов и муниципалитетов. В отечественной практике опыт использования ТНУменее обширен, однако, уровень отечественного машиностроения позволяетсоздавать крупные теплонасосные установки для применения в энергетике.

Замедление развития технологии ТНУ обусловлено сложными климатическимиусловиями по регионам России и сравнительно низкой ценой на топливные ресурсы. Сделаны выводы о предпочтительности применения электроприводныхпарокомпрессионных ТНУ для обеспечения теплового графика потребителя.Отмечена необходимость комплексного (системного) подхода к задаче исследования и оптимизации схемных решений на ПГУ-ТЭЦ.По результатам первой главы сформулирована цель и основные задачи исследования.Во второй главе автором работы разработана комплексная математическаямодель ПГУ-ТЭЦ с ТНУ.

Объектом диссертационного исследования являетсяиспользование тепловых насосов на ПГУ-ТЭЦ с целью повышения эффективности комбинированной выработки электрической энергии и теплоты. Предметисследования – ПГУ-ТЭЦ с парокомпрессионной ТНУ. На рис. 2 приведенапринципиальная схема ПГУ-ТЭЦ с парокомпрессионной ТНУ.6Парогазовая установка с котлом-утилизатором (КУ) является наиболее распространенной парогазовой установкой в энергетике. Методика определенияпоказателей тепловой экономичности для различных типов ПГУ, в основном,разработана ранее в НИУ «МЭИ». Однако, появление в разработанных схемахПГУ теплонасосной установки вызывает необходимость в корректировке иуточнении этой методики.