Диссертация (Исследование и оптимизация теплонасосных установок в структуре схем ПГУ-ТЭЦ), страница 12

Моделирование ПГУТЭЦ с ТНУ на различных хладагентах осуществлено в программном продукте«Thermoflex» (описание продукта приведено в разделе 2).В исследовании приняты следующие допущения и граничные условия:температура испарения ТНУ задана в диапазоне от 0 оС до 40 оС, при этом для рядахладагентовнижняяграницапринятаизусловиявозможностиутилизациинизкопотенциальной теплоты источника;расход воды через испаритель прият в диапазоне 0–2000 т/ч;рассматриваются три графика отпуска теплоты: 70/40 °С (режим горячеговодоснабжения); 86/46 °С (отопительный режим при температуре средней для74отопительного периода); 120/70 °С (отопительный режим с максимальным отпускомтеплоты от турбоустановки).В исследовании принят график теплосети 120/70 °С.

Проведен анализ зависимостикоэффициента преобразования ТНУ от графика тепловой нагрузки потребителя.Результаты представлены в табл. 3.5 и на рис. 3.4–3.5.Таблица 3.5 – Результаты исследования ТНУ на различных хладагентах [60]Температурныйграфик, °С70/4086/46Возможностьобеспечениятемпературногографика (Да/нет)ДаНет (нагревсетевой воды до82 оС)Нет (нагревсетевой воды до74 оС)ДаНет120/70ДаХладагентR-22R-407R 134Аммиак (NH3)Бутан (C4H10)R-22Коэффициентпреобразования4,905,095,144,405,36-R-407R 134Аммиак (NH3)БутанДиоксид углерода (СО2)R-22R-407R 134Аммиак (NH3)Бутан (C4H10)Диоксид углерода (СО2)4,103,314,352,901,491,221,8375Режим горячего водоснабжения (70/40)Отопительный режим при среднейтемпературе холодного сезона (86/46)5,54,5544,53,5343,534/2032/1829/16АммиакR22R134aБутан2,534/2032/18АммиакR134aБутан29/16CO2R407AОтопительный режим (120/70)21,5132/1829/16АммиакБутанСО2Рисунок 3.4 – Влияние типа хладагента на коэффициент преобразования приобеспечении различных графиков отпуска теплотыОчевидно, что в отношении коэффициента преобразования и возможностиподдержания температурного графика отопительных режимов природные хладагентыпредпочтительнее фреонов и синтетических.

Для отпуска теплоты с более низкимитемпературами (режим ГВС) предпочтительнее применение фреонов, например, R134a.Это связано в первую очередь с тем, что класс фреонов первоначально применялся вхолодильной технике, поэтому, согласно их физическим свойствам, использование в зоне76повышенных температур нежелательно, кроме того, имеется достаточно низкаякритическая температура и давление, создающие срезку температурного графика.3,2Коэффициент преобразования32,82,62,42,221,81,61,41,2График тепловой нагрузки потребителяАммиак: 70/40Аммиак:86/46Аммиак: 120/70Бутан: 70/40Бутан: 86/46Бутан: 120/70R-134: 86/40R-134: 86/70R-407: 70/40R-407: 74/40R-407: 74/70R-22: 70/40R-22: 82/70Рисунок 3.5 – Влияние типа хладагента на коэффициент преобразования приобеспечении теплового графика потребителяВ то же время критическая температура аммиака – 133 оС, бутана – 135 оС,что делает данные хладагенты предпочтительными к использованию для обеспеченияграфиков тепловой нагрузки.

Коэффициент преобразования для аммиака больше, чем длябутана для графика 120/70 °С. Сверхкритический цикл на диоксиде углерода уступаетциклам на бутане и аммиаке при обеспечении отпуска ГВС и отопительной нагрузке притемпературе отпуска теплоты 86 °С, но он может обеспечивать высокотемпературныеграфики отпуска теплоты с большей энергоэффективностью. К тому же на эффективностьсверкритическогоцикласущественновлияетразностьтемпературнагреватеплоносителя. При применении данного решения для нагрева подпитки сетевой воды,эффективность сверхкритического цикла существенно возрастает. Поэтому для того,чтобы сделать вывод от предпочтительности выбора того или иного хладагента77необходимо принимать во внимание продолжительность определенного режима отпускатеплоты.Окончательный вывод об эффективности использования определенного типахладагента должен следовать из технико-экономических расчетов системы.Удельные стоимости хладагентовПомимо различия физических свойств, хладагенты варьируются по удельнойстоимости.Внастоящеевремясуществуетбольшоеколичествокомпаний,специализирующихся на продаже хладагентов и связанного с ними оборудования оптоми в розницу.

На рис. 3.9 в качестве примера соотношения удельных стоимостейприведены данные компании ООО «ЯрХолод» и ООО «РББ-Холод» (данные по аммиакуотсутствуют) [56,58].Удельная стоимость хладагента,руб/кг350300250200150100500R12R22R134AR152БутанПропанРисунок 3.6 – Удельные стоимости хладагентов руб./кг [58]Из приведенных данных видно, что наименьшей стоимостью обладает хладагент R22, поскольку он широко применяется в холодильной технике. Фреон R12 постепенновыводится из эксплуатации и является переходным, альтернативой ему служит R134А.Наиболее высокой стоимостью обладает смесевой хладагент R152.Необходимо отметить, что стоимость заполнения ТНУ хладагентом будетопределяться удельным объемом рабочего тела.

При этом различные вариантыхладагентов могут оказаться сопоставимы по стоимости ввиду того, что дорогие фреоныобладают сравнительно малым удельным объемом. В связи с этим приоритетным78критерием выбора хладагента, помимо термодинамических свойств, должно бытьсоответствие требованию по экологической безопасности, поскольку фреоновыехладагенты, несмотря на свои благоприятные свойства, будут постепенно выводиться изобращения.

Диоксид углерода далее не рассматривается по причине более высоких затратна сжатие в сравнении с другими хладагентами.Оценка эффективности применения различных хладагентовВыше были показаны предпосылки использования различных хладагентов взависимости от необходимости обеспечения температурного графика потребителя иполучаемого при этом коэффициента преобразования. Были проведены предварительныеисследования влияния коэффициента преобразования на показатели экономичностиэнергоблока. В качестве модели была выбрана тепловая схема ПГУ-110Т для условийСибири (климатически неблагоприятного района с точки зрения требуемой тепловойнагрузки в течение года).

Для ПГУ-ТЭЦ с ТНУ определено влияние типа хладагента наизменение коэффициента преобразования, удельного расхода и КПД по отпускуэлектроэнергии. Расчеты проведены для характерных температурных точек тепловогографика.На рис. 3.7–3.8 приведены расчетные показатели схемы для температуры +15 °С.В данном режиме прирост КПД нетто сопоставим для ТНУ на аммиаке, бутане, R152A,R12 и пропане.

Показано, что наименьший прирост расхода топлива – для ТНУ на R152A,наибольший – для ТНУ на пропане.79Температура окружающей среды +15 оСРисунок 3.7 – Соотношение прироста коэффициента преобразования и расхода топливаПрирост КПД неттоэнергоблока, %для ПГУ-110Т в зависимости от типа хладагента20,0015,0010,005,000,00R22R134ANH3БутанR152AR12ПропанРисунок 3.8 – Прирост КПД по отпуску электроэнергии для ПГУ-110Т в зависимости оттипа хладагентаНа рис. 3.9 – 3.10 приведены расчетные показатели схемы для среднегодовойтемпературы +1,7 °С. В данном режиме прирост КПД нетто сопоставим для ТНУна аммиаке, бутане, R152A, R12 и пропане.

Показано, что наименьший прирост расходатоплива – для ТНУ на R152A, наибольший – для ТНУ на пропане.80Температура окружающей среды +1,7 оСРисунок 3.9 – Соотношение прироста коэффициента преобразования и расхода топливаПрирост КПД неттоэнергоблока, %для ПГУ-110Т в зависимости от типа хладагента50,0045,0040,0035,0030,0025,0020,0015,0010,005,000,00R22R134ANH3БутанR152AR12ПропанРисунок 3.10 – Прирост КПД по отпуску электроэнергии для ПГУ-110Т в зависимостиот типа хладагентаНа рис.

3.11–3.12 приведены расчетные показатели схемы для температуры,соответствующей средней отопительной по региону, –8,4 °С. В данном режиме прирост КПДнетто сопоставим для ТНУ на аммиаке, бутане, R152A, R12, показано, что наименьшийприрост расхода топлива – для ТНУ на R152A, наибольший – для ТНУ на R134A.81Температура окружающей среды -8,4 оСРисунок 3.11 – Соотношение прироста коэффициента преобразования и расхода топливаПрирост КПД нетто, %для ПГУ-110Т в зависимости от типа хладагента0,500,400,300,200,100,00R134ANH3БутанR152AR12Рисунок 3.12 – Прирост КПД по отпуску электроэнергии для ПГУ-110Т в зависимостиот типа хладагентаТакже было проведено исследование при температуре наиболее холоднойпятидневки (–37 °С). Наибольший прирост КПД электрического по отпуску икоэффициента преобразования соответствует ТНУ на аммиаке и бутане.82Вывод по исследованию выбора типа хладагентаТаким образом, для поставленной задачи поиска хладагента для ТНУ, работающейпараллельнотеплофикационнойустановке, наиболееперспективнымиявляютсяприродные хладагенты: аммиак, бутан, изобутан.3.2.Расчетные исследования модели ПГУ-ТЭЦ с ТНУПредварительные расчеты схем с ТНУ в составе ПГУ-ТЭЦ, проведенные в п.п.

3.1позволили выбрать конфигурацию и необходимые исходные данные для исследованиякомплексной модели ПГУ-110Т совместно с теплонасосными установками. Авторомдиссертации разработаны расчетные схемы и проведены соответствующие исследованияс целью определения технико-экономических показателей. Рассчитанные показателинеобходимы для дальнейшей финансово-экономической оценки эффективности схем.Примоделированиипринятрядграничныхусловий.Рассматриваютсямоноблочные ПГУ теплофикационного типа на базе ГТУ производства General Electric6111 FA. ТНУ подключена к трубопроводам циркуляционной воды конденсатора паровойтурбины.

Приняты допущения, что ПГУ-ТЭЦ двухконтурная, система подогрева сетевойводы теплофикационной воды состоит из двух сетевых подогревателей. Назначение ТНУ– производство теплоты параллельно теплофикационной установке ПГУ-ТЭЦ. Рабочеевещество ТНУ – бутан, принят ввиду благоприятных термодинамических иэкологических свойств. Расчеты проведены для различных климатических регионовРоссийской Федерации: «Центр», «Урал» и «Юг». Основные исходные данные дляисследуемых объектов приведены в табл. 3.6. В расчетах учитывался график тепловогопотребителя 150/70 оС, однако ввиду особенностей исследования, а также рабочихусловий хладагентов ТНУ, была принята температура срезки 110 оС для трех регионовввиду необходимости приведения систем в условия, пригодные для сравнения.Предполагается, что дальнейший нагрев сетевой воды до 150 °С осуществляется на пиковыхводогрейных котлах.

Климатические и прочие условия приняты по соответствующимСНИПам [107, 110].Важным условием в расчетах является то, что энергоблок работает по тепловомуграфику потребителя. При этом электрическая нагрузка рассчитана исходя из данногоусловия. Таким образом, в масштабах крупной энергосистемы блок обеспечивает частьэлектроэнергии от общего объема оптового рынка. Выработка электроэнергии в данномслучае не является максимально возможной от энергоблока. Такое граничное условие83необходимо при рассмотрении эффективности энергоблока с использованием критериясуммарного расхода топлива по системе.