CC BY
17
Научная статья УДК 621.31
DOI: 10.14529/power230208
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АБСОРБЦИОННОГО И МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ПАРОСИЛОВОГО ЦИКЛА
В.В. Папин, vladimir_papin@bk.ru
Р.В. Безуглов, bezuglov@npi-tu.ru
Д.В. Добрыднев, d.v.dobrydnev@gmail.com
Е.М. Дьяконов, deml@rambler.ru
А.С. Шмаков, tolikshmakov.1998@rambler.ru
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия
Аннотация. В статье приводится принципиальная схема и принцип работы модернизированного паросилового цикла Ренкина, в котором конденсация отработавшего после турбины пара заменена на процесс его абсорбции, а также принципиальная схема абсорбционного трансформатора, в котором происходят схожие процессы и который взят за основу при разработке модернизированного цикла. С целью разработки оптимизированных схемных решений модернизированного цикла Ренкина в статье осуществляется термодинамический анализ различных схемных решений абсорбционных циклов с водоаммиачным раствором (схема с регенерацией в термохимическом компрессоре, с регенерацией теплоты в основном процессе, с дефлегмацией пара). Результаты анализа показали, что наиболее оптимальными техническими решениями для абсорбционного термотрансформатора с точки зрения сложности реализации и эффективности являются схемы с дефлегмацией пара и регенерацией теплоты растворов. С целью оптимизации эффективности цикла было осуществлено комбинирование данных схемных решений и исследована эффективность решения. По результатам определения наиболее эффективных вариантов циклов абсорбционных термотрансформаторов в дальнейших исследованиях будут разрабатываться оптимизированные схемные решения для паросилового цикла, при этом будут учитываться особенности функционирования абсорбционных и паросиловых циклов.
Ключевые слова: абсорбционный цикл, малая распределенная энергетика, цикл Ренкина, энергоэффективность, утилизация теплоты, вторичные энергетические ресурсы, абсорбция
Благодарности. Работа выполнена в рамках стратегического проекта «Научно-инновационный кластер «Контрактный R&D центр» Программы развития ЮРГПУ (НПИ) при реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Для цитирования: Анализ способов повышения эффективности абсорбционного и модернизированного паросилового цикла / В.В. Папин, Р.В. Безуглов, Д.В. Добрыднев и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2023. Т. 23, № 2. С. 83-93. DOI: 10.14529/power230208
Original article
DOI: 10.14529/power230208
WAYS TO INCREASE THE EFFICIENCY
OF THE ABSORPTION IN A RANKINE STEAM-POWER CYCLE
V.V. Papin, vladimir_papin@bk.ru
R.V. Bezuglov, bezuglov@npi-tu.ru
D.V. Dobrydnev, d.v.dobrydnev@gmail.com
E.M. Dyakonov, deml@rambler.ru
A.S. Shmakov, tolikshmakov.1998@rambler.ru
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. This article presents a schematic diagram and the principle of operation of a modernized Rankine steam-power cycle, in which the condensation of the steam exhaust after the turbine is replaced by steam absorption. It also presents a schematic diagram of an absorption transformer in which similar processes occur and which is taken as the basis for the development of the modernized cycle. In order to develop an optimized circuit for a modernized Rankine cycle, the article shows the thermodynamic analysis of various circuit solutions for absorption cycles with
© Папин В.В., Безуглов Р.В., Добрыднев Д.В., Дьяконов Е.М., Шмаков А.С., 2023
a water-ammonia solution (a circuit with regeneration in a thermochemical compressor, with heat recovery in the main process, and with steam reflux). The results showed that the optimal technical solution for an absorption thermo-transformer (ATT) in terms of simplicity and efficiency is with steam reflux and solution heat recovery. In order to optimize the efficiency of the cycle, a combination of these circuit solutions was carried out and the efficiency of the solution was investigated. Based on the most efficient options for the cycles of ATT, further research will develop optimized circuit solutions for the steam power cycle, while taking into account the features of the operation of absorption and steam-power cycles.
Keywords: absorption cycle, small distributed energy, Rankine cycle, energy efficiency, heat utilization, secondary energy resources, absorption
Acknowledgments. The study was carried out within the framework of the strategic project "Scientific and Innovation Cluster "Contract R&D Center" of the Development Program of the South Russian State Polytechnic University (NPI) in the implementation of the strategic academic leadership program "Priority-2030".
For citation: Papin V.V., Bezuglov R.V., Dobrydnev D.V., Dyakonov E.M., Shmakov A.S. Ways to increase the efficiency of the absorption in a Rankine steam-power cycle. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2023;23(2):83-93. (In Russ.) DOI: 10.14529/power230208
Введение
Повышение энергетической эффективности уже эксплуатирующихся и проектируемых объектов энергетики является одним из приоритетных направлений развития топливно-энергетического комплекса Российской Федерации [1]. При этом значительную долю в общей структуре генерации в России занимают тепловые электрические станции (ТЭС). В последние годы значительную роль в России и мире приобретает малая распределенная энергетика, которая выражена установками малой мощности - паровыми микротурбинами [2, 3]. Значительная часть ТЭС работает по циклу Ренки-на, который, несмотря на его повсеместное применение в мире, характеризуется низкой энергетической эффективностью [4]. Даже крупные современные ТЭС имеют эффективность на уровне 35-40 %, что означает потерю более чем половины всей теплоты, полученной в котлоагрегате [5, 6]. Это приводит к перерасходу топлива и воды, повышенным выбросам вредных веществ и тепловому загрязнению окружающей среды [7, 8]. Установки малой мощности из-за снижения параметров пара перед турбиной имеют еще меньшую эффективность [9].
Наибольшие тепловые потери при работе паросиловых установок наблюдаются в парожидко-стном тракте, а именно в конденсаторе паровой турбины, где отработавший пар, имеющий еще достаточно высокий потенциал, охлаждается до низких температур. В результате конденсации пара охлаждающей воде передается значительное количество теплоты (скрытой теплоты парообразования рабочего тела). Все остальные тепловые потери несопоставимо ниже. С целью снижения тепловых потерь авторами данной статьи в работе [10] представлен модернизированный паросиловой цикл Ренкина, в котором предлагается иной способ переноса рабочего тела из зоны низкого в зону высокого давления, в котором процесс конденсации отработавшего пара заменен на процесс его абсорбции, по аналогии с абсорбционным термотрансформатором (АБТ).
С целью разработки наиболее эффективного схемно-циклового решения модернизированного паросилового цикла необходимо проанализировать цикл и особенности функционирования абсорбционного трансформатора теплоты, а также технические решения по повышению энергетической эффективности АБТ. Это необходимо в том числе потому, что имеются различные варианты по включению в паросиловой цикл абсорбционной части и различные варианты схемно-циклового решения самого модернизированного паросилового цикла.
Принципиальная схема
модернизированного паросилового цикла
В абсорбционных циклах процесс переноса рабочего тела (рабочего раствора) из зоны низкого в зону высокого давления осуществляется посредством так называемого термохимического компрессора, системы, состоящей из абсорбера (сор-бера), насоса, генератора (десорбера) и расширительного вентиля [11, 12]. Применение абсорбции позволит не охлаждать пар до низких температур, а растворять его в абсорбенте и перекачивать в котлоагрегат, сохранив полезную теплоту в цикле и повысив среднюю температуру подвода теплоты в цикл. С целью реализации излагаемого принципа абсорбции отработавшего после турбины пара классическая схема цикла Ренкина должна быть доработана путем добавления дополнительного трубопровода - контура возврата абсорбента с расширительным устройством, который соединяет абсорбер и генератор пара (котлоагрегат), а также за счет применения второго рабочего вещества -абсорбента (растворителя) для рабочего тела. Принципиальная схема модернизированного паросилового цикла представлена на рис. 1.
Модернизированный паросиловой цикл работает следующим образом. Отработавший после паровой турбины пар, имеющий еще достаточно высокий потенциал, попадает в абсорбер. При взаимодействии двух сред, абсорбента и отработавшего пара, поступающего из паровой турбины, последний поглощается абсорбентом и получив-
Рис. 1. Схема модернизированного паросилового цикла (красные линии -крепкий раствор, зеленые линии - слабый раствор, синие линии - рабочее тело): 1 - абсорбер; 2 - насос; 3 - расширительное устройство; 4 - генератор
пара (котлоагрегат); 5 - паровая турбина; 6 - электрический генератор Fig. 1. The upgraded steam-power cycle (red lines - rich solution, green lines -weak solution, blue lines - working medium): 1 - absorber; 2 - pump; 3 - expansion device; 4 - steam generator (boiler unit); 5 - steam turbine; 6 - electric
generator
шийся раствор (крепкий раствор) перекачивается питательным насосом в котлоагрегат, в котором сжигается топливо и выделяется теплота, передающаяся крепкому раствору (также может использоваться котел-утилизатор). В процессе подвода теплоты раствор разделяется на рабочее тело и абсорбент. Рабочее тело направляется на дальнейший перегрев пара в котлоагрегате и далее в паровую турбину. Абсорбент, имеющий большую температуру испарения, чем рабочее тело, направляется по линии возврата (слабый раствор) через расширительное устройство в абсорбер. В расширительном устройстве снижается давление до уровня давления в абсорбере. После попадания слабого раствора в абсорбер цикл замыкается.
Чаще всего процессы смешения рабочих веществ в абсорбере являются экзотермическими реакциями, то есть протекают с выделением теплоты [13]. Если теплоту абсорбции не отводить, то со временем взаимная растворимость компонентов будет уменьшаться вплоть до полного прекращения процесса абсорбции пара. В общем случае теплота, отводимая от абсорбера, может рассматриваться как часть тепловых потерь, аналогичная тепловым потерям в конденсаторе паровой турбины традиционного цикла Ренкина (хотя и в том, и в другом случае эта теплота может быть использована полезно). Одной из важнейших задач при исследовании модернизированного цикла является сравнение теплоты конденсации и теплоты абсорб-
ции для различных рабочих тел (пар рабочих тел), сравнение энергетических характеристик цикла и оценка целесообразности модернизированного паросилового цикла в том или ином случае.
Принципиальная схема абсорбционного цикла отражает основные процессы, происходящие при переносе рабочего тела в «термохимическом компрессоре» и при выработке холода или теплоты. На рис. 2 представлена принципиальная схема АБТ.
Видно, что приведенная схема модернизированного цикла отличается от схемы АБТ оборудованием для осуществления основного процесса преобразования энергии: для АБТ - это конденсатор и испаритель для обеспечения потребителя теплотой и холодом, а для модернизированного цикла - паровая турбина для выработки электрической энергии. При этом термохимический компрессор для переноса рабочего тела используется и в том, и в другом случае.
В то же время данная схема является во многом теоретической и имеет значительный потенциал к оптимизации. В реальных абсорбционных установках используется ряд вспомогательных устройств, которые обеспечивают:
- снижение расхода греющего теплоносителя и/или охлаждающей среды;
- снижение необратимости в одном или нескольких процессах;
- сокращение металлоемкости (снижение капитальных затрат).
Рис. 2. Принципиальная схема АБТ: 1 - абсорбер; 2 - насос; 3 - расширительное
устройство; 4 - генератор пара; 5 - конденсатор; 6 - испаритель Fig. 2. Basic diagram of the absorption thermo-transformer (ATT): 1 - absorber; 2 - pump; 3 - expansion device; 4 - steam generator; 5 - condenser; 6 - evaporator
Постановка задачи исследования
Принципиальная схема модернизированного паросилового цикла при температуре высокопотенциального источника 190 °С (что для водоам-миачного раствора с концентрацией 90 % соответствует температуре 162,5 °С и давлению 41,1 бар) имеет термический КПД 22,17 % [10], что показывает повышение эффективности по сравнению с органическим циклом Ренкина (на 5-10 % в зависимости от применяемых рабочих веществ). В то же время традиционный цикл Ренкина на водяном паре при данных параметрах источника теплоты
практически неосуществим.
Тем не менее энергетическая эффективность модернизированного паросилового цикла также может быть повышена в первую очередь за счет повышения эффективности его абсорбционной части, процесса абсорбции и десорбции и переноса рабочего тела из зоны низкого в зону высокого давления. Наиболее часто используемыми вариантами повышения эффективности абсорбционных циклов являются [14]:
- регенерация теплоты в «основном процессе» (системе конденсатор-испаритель);
- регенерация теплоты в «термохимическом компрессоре»;
- дефлегмация;
- ректификация;
- расширение зоны дегазации различными способами (применение ступенчатых генерации или абсорбции, материальная регенерация, комбинированные абсорбционно-компрессионные циклы) [15]. Первые 3 варианта являются наиболее
применимыми как по отдельности, так и в комбинации друг с другом.
Далее в статье выполнен термодинамический расчет схем АБТ с регенерацией теплоты в «термохимическом компрессоре», в основном процессе, с дефлегмацией пара, с первыми двумя и всеми тремя способами. Результаты расчетов покажут, какую эффективность имеет каждая из схем, и, отталкиваясь от этого можно будет судить о соответственном повышении энергетической эффективности модернизированного цикла при применении тех или иных технических решений, связанных с оптимизацией абсорбционных циклов.
Схема с регенерацией теплоты
в «термохимическом компрессоре» АБТ
Одним из наиболее эффективных решений, обеспечивающих повышение энергетической эффективности абсорбционных циклов, является регенерация теплоты растворов или регенерация в «термохимическом компрессоре» [15], которая реализуется установкой дополнительного теплообменника на линиях крепкого и слабого растворов. В схемах АБТ данный теплообменник называется регенеративным теплообменником растворов (РТО-Р). РТО-Р устанавливается на линии крепкого раствора после питательного насоса и на линии слабого раствора перед расширительным устройством. Схема АБТ с регенерацией теплоты растворов представлена на рис. 3.
Применение регенерации растворов в абсорбционных циклах обеспечивает [16]:
Рис. 3. Схема АБТ с системой регенерации растворов: 1 - абсорбер; 2 - насос; 3 - расширительное устройство; 4 - генератор пара; 5 - конденсатор; 6 - испаритель; 7 - регенеративный теплообменник растворов (РТО-Р) Fig. 3. Diagram of ATT with solution regeneration system: 1 - absorber; 2 - pump; 3 - expansion device; 4 - steam generator; 5 - condenser; 6 - evaporator; 7 - regenerative heat exchanger
- снижение необратимости в абсорбере за счет понижения температуры начала абсорбции;
- снижение необратимости в генераторе пара за счет повышения температуры начала генерации;
- снижение одновременно теплоты, подводимой в генератор пара, QГ и теплоты, отводимой от абсорбера, QА, без влияния на осуществление основных процессов цикла (в абсорбционных циклах - на выработку холода или теплоты, в модернизированном цикле - на выработку электрической энергии).
Таким образом, вследствие снижения подводимой в генератор пара и отводимой из абсорбера теплоты снижаются тепловые потери и обеспечивается повышение энергетической эффективности цикла. Это, в свою очередь, приводит к снижению расхода органического топлива и уменьшению вредного влияния на окружающую среду (снижение выбросов вредных веществ и тепловых сбросов в атмосферу).
Схема с регенерацией теплоты
в «основном процессе» АБТ
Одним из наиболее распространенных технических решений, обеспечивающих повышение эффективности работы абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов, является применение регенерации теплоты рабочего тела путем применения дополнительного устройства - регенеративного теплообменника рабочего агента (РТО-А). Схема АБТ с регенерацией теплоты рабочего тела представлена на рис. 4.
Данный теплообменник устанавливается на линии жидкого хладагента после конденсатора и на линии влажного пара после испарителя. Применение РТО-А обеспечивает:
- повышение удельной массовой холодопро-изводительности и снижение массового расхода хладагента (что обуславливает снижение массовых
потоков во всех аппаратах);
- повышение сухости пара после испарителя.
Схема с дефлегмацией
рабочего тела АБТ
Одним из наиболее распространенных технических решений в АБТ является применение дефлегмации пара с целью повышения концентрации рабочего агента, поступающего в конденсатор и испаритель [17]. Схема АБТ с дефлегмацией пара рабочего тела представлена на рис. 5.
Необходимость применения дефлегмации пара обусловлена свойствами рабочих веществ, применяемых в абсорбционных циклах. Как отмечалось выше, все применяемые пары рабочих веществ можно разделить на две группы - летучие и нелетучие смеси. В паровой фазе летучих смесей присутствуют как рабочий агент, так и абсорбент, а в паровой фазе нелетучих смесей - только рабочий агент. Применение дефлегмации пара актуально именно для веществ первой группы - для летучих смесей. Для нелетучих смесей необходимость в ректификации и дефлегмации пара отпадает ввиду несоиспаряемости рабочего агента и абсорбента [18].
Рис. 4. Схема АБТ с системой регенерации растворов: 1 - абсорбер; 2 - насос; 3 - расширительное устройство; 4 - генератор пара; 5 - конденсатор; 6 - испаритель; 7 - регенеративный теплообменник агента (РТО-А) Fig. 4. Diagram of ATT with solution regeneration system: 1 - absorber; 2 - pump; 3 - expansion device; 4 - steam generator; 5 - condenser; 6 - evaporator; 7 - regenerative working fluid heat exchanger
Рис. 5. Схемы АБТ с дефлегмацией пара: 1 - абсорбер; 2 - насос; 3 - расширительное устройство; 4 - генератор пара; 5 - конденсатор; 6 - испаритель;
7 - дефлегматор
Fig. 5. Schemes of ATT with steam distillation: 1 - absorber; 2 - pump; 3 - expansion device; 4 - steam generator; 5 - condenser; 6 - evaporator; 7 - distillator
Дефлегмация представляет собой процесс охлаждения пара после генератора, при котором из смеси частично конденсируется рабочее тело. Результатом частичной конденсации является образование флегмы. Флегма - это поток раствора, внутренняя часть которого имеет концентрацию слабого раствора, а поверхностный слой - повышенную концентрацию молекул рабочего тела. Применение дефлегматора в АБТ обеспечивает снижение необратимостей в испарителе и конденсаторе за счет применения пара более высокой концентрации. Одновременно с этим для осуществления процесса дефлегмации требуется включить в схему цикла дополнительный теплообменный аппарат - дефлегматор, а также подвести больше теплоты в генератор пара. Это требует увеличения капитальных и эксплуатационных затрат. Поэтому в каждом конкретном случае вопрос оптимальной концентрации пара должен решаться путем технико-экономической оценки. Наиболее оптимальными концентрациями водоаммиачной смеси для АБТ с точки зрения уменьшения необратимостей и соотношения капитальных и эксплуатационных затрат считается концентрация 97-98 % [19].
Термодинамический анализ циклов АБТ
Для термодинамического анализа абсорбционных циклов широко применяется диаграмма в координатах энтальпия-концентрация. Ее широкое распространение обусловлено удобством построения процессов абсорбции, дефлегмации, ректификации и в целом тепловых расчетов абсорбционных установок. Не менее важным фактором являлась также наглядность построений. Таким образом, преимуществом расчета по диаграмме является наглядность построений, простота и при этом возможность быстрой оценки эффективности того или иного схемно-циклового решения. В то же время диаграмма неприменима при дальнейших исследованиях и становится неудобной при существенном усложнении схемно-цикловых решений, исследовании эффективности установки в случае варьирования внешних граничных параметров установки, мониторинге режимов работы реальной установки и прочих условий. И в целом графический метод может считаться более трудоемким и менее точным особенно в случае необходимости
многократных расчетов. В этой ситуации математическое моделирования является наиболее оптимальным решением.
Расчет циклов АБТ осуществляется по методикам, изложенным в [7, 8]. Исходными данными для термодинамического анализа любого абсорбционного цикла являются 3 температурных источника (высоко-, средне- и низкопотенциальный) и пара рабочих веществ. Выбор температурного уровня источников теплоты зависит от внешних условий, требований технологии, доступного источника теплоты, его типа и потенциала.
При расчете модернизированного цикла температуры для термодинамического анализа должны подбираться исходя из условий эксплуатации станции и проектных параметров, поэтому принятые температурные уровни будут отличаться от принимаемых для расчетов абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов.
Температура низкопотенциального источника определяет давление кипения в испарителе АБТ, а в модернизированном цикле данная температура -давление пара после турбины. Температура сред-непотенциального источника в расчете АБТН определяет давление и температуру конденсации, а в случае модернизированного паросилового цикла -температуру пара перед турбиной. Температура высокопотенциального (греющего) источника определяется доступным уровнем теплоты, подводимым в генератор пара (в модернизированном цикле - в котел-утилизатор). Термодинамический анализ осуществлялся для следующих параметров работы:
- температура низкопотенциального источника +30 °С;
- температура среднепотенциального источника +80 °С;
- температура высокопотенциального источника +190 °С;
- рабочее тело: аммиак МН3;
- абсорбент: вода Н2О;
- холодопроизводительность 500 кВт.
Изложенные выше схемные решения чаще
всего применяются не изолированно, а в комбинации друг с другом. По этой причине дополнительно будет приведен термодинамический анализ схемно-циклового решения с двумя теплообмен-
Результаты термодинамического расчета различных схем абсорбционного цикла Thermodynamic calculations of absorption cycle schemes
Схема работы Обычная схема Схема с РТО-Р Схема с РТО-А Схема с дефлегматором (Д) Схема с РТО-Р и РТО-А Схема с Д, РТО-Р и РТО-А
Теплота испарителя Qo, кВт 500 500 500 500 500 500
Массовый расход хладагента М, кг/с 1,923 1,923 0,625 0,685 0,625 0,394
Теплота генерации Qг, кВт 5861,770 3561,290 1905,070 2231,600 1157,420 735,980
Теплота конденсации Qк, кВт 2461,530 2461,530 968,750 726,020 968,750 523,620
Теплота абсорбции Qа, кВт 3900,240 1599,760 1436,320 1907,100 688,670 655,758
Коэффициент трансформации ц 1,085 1,140 1,262 1,180 1,432 1,602
Практическая значимость
С учетом термодинамического анализа абсорбционного цикла и влияния различных схемных решений на эффективность можно оптимизировать модернизированный паросиловой цикл с целью обеспечения большего энергетического эффекта. Важным является учет особенностей функционирования циклов АБТ и ТЭС. Как отмечалось выше, наибольший прирост экономичности цикла АБТ наблюдается при использовании регенерации теплоты в основном процессе, а также в комбинации схем с использованием РТО-Р. В то же время выше отмечалось, что основное отличие схем модернизированного цикла и цикла АБТ заключается в отсутствии у первого конденсатора и испарителя (с заменой их на паровую турбину с электрогенератором), поэтому реализация схемного решения по аналогии с АБТ невозможна.
В этой связи в качестве оптимизированного схемного решения можно рассмотреть схему с дефлегмацией и регенерацией теплоты растворов. На рис. 6 представлена данная схема.
В то же время требуется дополнительный анализ схемного решения с включением дефлегматора на предмет определения оптимальной концентрации пара перед турбиной. Предварительные расчеты показывают существенное влияние концентрации аммиака в паре перед турбиной на влажность пара после турбины, что может существенно влиять
Рис. 6. Схема модернизированного паросилового цикла с дефлегмацией пара и с регенерацией теплоты растворов: 1 - абсорбер; 2 - насос; 3 - расширительное устройство; 4 - генератор пара (котлоагрегат); 5 - паровая турбина; 6 - электрический генератор; 7 - дефлегматор; 8 - регенеративный
теплообменник растворов Fig. 6. The upgraded steam-power cycle with steam distillation and solution heat regeneration: 1 - absorber; 2 - pump; 3 - expansion device; 4 - steam generator (boiler unit); 5 - steam turbine; 6 - electrical generator; 7 - distillator; 8 - regenerative heat exchanger
никами (РТО-А и РТО-Р), а также схема с дефлегматором и двумя теплообменниками. Результаты термодинамического анализа, удельные тепловые потоки основных аппаратов установки и коэффициент трансформации теплоты для различных схемных решений приведены в таблице.
Анализируя результаты расчетов в таблице, видно, что по мере усложнения схемных решений (с добавлением различных теплообменников) эффективность абсорбционного цикла повышается, растет коэффициент трансформации теплоты, определяемый как отношение полезно отданной (отведенной от абсорбера и конденсатора) к затраченной теплоте (подведенной в генераторе пара). Наибольшую удельную эффективность среди схемных решений показывает применение парового переохладителя (РТО-А) за счет существенного снижения массового расхода хладагента, что, как уже отмечалось выше, оказывает влияние на тепловые потоки во всех аппаратах установки [19]. Примерно на таком же уровне эффективность при дефлегмации пара. Однако наибольшую эффективность показывает комбинированная схема с двумя теплообменниками и дефлегматором [20, 21]. По отношению к принципиальной схеме и схеме с РТО-Р массовый расход хладагента снижается практически в 4 раза, что обеспечивает повышение коэффициента трансформации теплоты на 47 и 40 % соответственно.
на эксплуатационную надежность турбины. Поэтому в дальнейших исследованиях будет проведен энергетический и эксергетический анализ оптимизированной схемы модернизированного цикла.
Заключение
В статье был выполнен термодинамический анализ различных схем абсорбционных термотрансформаторов с использованием водоаммиач-ного раствора при уровнях температур, соответствующих работе разрабатываемого модернизированного паросилового цикла.
Результаты расчетов показали, что каждое из схемных решений (регенерация теплоты, дефлегмация пара) повышает эффективность АБТ и способствует повышению удельных показателей цикла (уменьшение количества отводимой из абсорбера и подводимой в генератор пара теплоты - для схемы с регенерацией теплоты растворов, уменьшение массового расхода рабочего тела - для дефлегмации). Определено, что при температуре низкопо-
тенциального источника +30 °С, среднепотенци-ального +80 °С и высокопотенциального источника +190 °С наибольшую эффективность показывает схема с регенерацией теплоты рабочего агента (коэффициент трансформации теплоты равен 1,264), примерно равную эффективность показывают технические решения с регенерацией теплоты растворов и дефлегмацией пара (1,140 и 1,180 соответственно). Далее было осуществлено комбинирование данных схем и анализ их эффективности, который показал существенный рост коэффициента трансформации теплоты - на 13 и 26 % для схемы с двумя регенеративными теплообменниками и для схемы с комбинацией трех устройств соответственно.
В рамках исследований модернизированного паросилового цикла важной задачей является анализ влияния вышеизложенных схемных решений на энергетическую эффективность паросилового цикла ТЭС. В рамках дальнейших исследований будет оценена энергетическая эффективность разработанных схемных решений.
Список литературы
1. Энергетическая стратегия Российской Федерации до 2035 года. Министерство энергетики РФ [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (дата обращения: 18.11.2022).
2. Петрущенков В.А., Коршакова И.А. Качественный и количественный анализ тепловой энергетики малых мощностей в России // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22, № 5. С. 52-70. DOI: 10.30724/1998-9903-2020-22-5-52-70
3. Fidalgo J.N., Azevedo F. Decision support system for long-term reinforcement planning of distribution networks // Electric Power Systems Research. 2022. Vol. 209. P. 107999. ISSN 0378-7796. DOI: 10.1016/j.epsr.2022.107999
4. The energy-saving mechanism of coal-fired power plant with S-CO2 cycle compared to steam-Rankine cycle / Zhewen Chen, Yanjuan Wang, Xiaosong Zhang, Jinliang Xu // Energy. 2020. Vol. 195. P. 116965. ISSN 0360-5442. DOI: 10.1016/j.energy.2020.116965
5. Combined Rankine Cycle and dew point cooler for energy efficient power generation of the power plants -A review and perspective study / Xiaoli Ma, Xudong Zhao, Yufeng Zhang et al. // Energy. 2022. Vol. 238, part A. P. 121688. ISSN 0360-5442. DOI: 10.1016/j.energy.2021.121688
6. Effect of direct water injection temperature on combustion process and thermal efficiency within compression ignition internal combustion Rankine engine / Zhe Kang, Shangsi Feng, Yang Lv et al. // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. Vol. 28. P. 101592. ISSN 2214-157X. DOI: 10.1016/j.csite.2021.101592
7. Основы современной энергетики: учеб. для вузов: в 2 т. / под общ. ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметисова. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Издат. дом МЭИ, 2016.
8. Hidemichi Fujii, Shunsuke Managi. Optimal production resource reallocation for CO2 emissions reduction in manufacturing sectors // Global Environmental Change. 2015. Vol. 35. P. 505-513. ISSN 0959-3780. DOI: 10.1016/j.gloenvcha.2015.06.005
9. Discussion of the effects of recirculating exhaust air on performance and efficiency of a typical microturbine / Ward De Paepe, Frank Delattin, Svend Bram, Jacques De Ruyck // Energy. 2012. Vol. 45, iss. 1. P. 456-463. ISSN 0360-5442. DOI: 10.1016/j.energy.2011.11.060
10. Модернизированный паросиловой цикл, работающий по абсорбционному принципу / В.В. Папин, Н.Н. Ефимов, Д.В. Добрыднев и др. // Промышленная энергетика. 2022. № 1. С. 18-27. DOI: 10.34831/EP.2022.30.50.003
11. Thermodynamic analysis and optimization of variable effect absorption refrigeration system using multiisland genetic algorithm / Ke Zhang, Haying Ma, Qingyang Li et al. // Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 54435454. ISSN 2352-4847. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.04.004
12. Абсорбционные преобразователи теплоты: моногр. / [А. В. Бараненко и др.]; Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования, С.-Петерб. гос. ун-т низкотемператур. и пищевых технологий. СПб.: С.-Петерб. гос. ун-т низкотемператур. и пищевых технологий, 2005. 337 с.
13. Organic Rankine cycle for power recovery of exhaust flue gas / C. Guo, X. Du, L. Yang, Y. Yang // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 75. P. 135-144. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2014.09.080
14. A new combined cooling and power system based on ammonia-water absorption refrigeration cycle: Thermodynamic comparison and analysis / Jianyong Wang, Zhuan Liu, Haojin Wang, Xiaoqin Liu // Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 270. P. 116262. ISSN 0196-8904. DOI: 10.1016/j.enconman.2022.116262
15. Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. Одесса: Негоциант, 2006. 712 с.
16. Dixit M., Arora A., Kaushik S.C. Thermodynamic analysis of GAX and hybrid GAX aqua-ammonia vapor absorption refrigeration systems // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40, iss. 46. P. 16256-16265. ISSN 0360-3199. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.09.048
17. Analysis of the Performance of a GAX Hybrid (Solar-LPG) Absorption Refrigeration System Operating with Temperatures from Solar Heating Sources / M.A. Barrera, R. Best, V.H. Gómez et al. // Energy Procedia. 2012. Vol. 30. P. 884-892. ISSN 1876-6102. DOI: 10.1016/j.egypro.2012.11.100
18. Zavaleta-Aguilar E.W., Simoes-Moreira J.R. Horizontal tube bundle falling film distiller for ammonia-water mixtures // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 59. P. 304-316. ISSN 0140-7007. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.07.022
19. Chen X., Du S. Feasibility study on ammonia water absorption refrigeration cycle without distillation column // International Journal of Refrigeration. 2022. Vol. 143. P. 94-105. ISSN 0140-7007. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2022.06.034
20. Waghare P., Sathyabhama A. Performance analysis of ammonia-based vapour absorption refrigeration system // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 51, part 3. P. 1503-1509. ISSN 2214-7853. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.10.279
21. An improved absorption refrigeration system for recovering two waste heat with different temperatures: Parametric analysis and comparative study / Yin Bai, Ding Lu, Zijian Liu et al. // International Journal of Refrigeration. 2022. Vol. 133. P. 51-60. ISSN 0140-7007. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2021.10.019
References
1. Energeticheskaya strategiya Rossiyskoy Federatsii do 2035 goda. Ministerstvo energetiki RF [Energy strategy of the Russian Federation until 2035. Ministry of Energy of the Russian Federation]. (In Russ.) Available at: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (accessed 18.11.2022).
2. Petrushchenkov V.A., Korshakova I.A. Qualitative and quantitative analysis of small scale thermal energy in Russia. Proceedings of higher educational institutions. Energy sector problems. 2020;22(5):52-70. (In Russ.) DOI: 10.30724/1998-9903-2020-22-5-52-70
3. Fidalgo J.N., Azevedo F. Decision support system for long-term reinforcement planning of distribution networks. Electric Power Systems Research. 2022;209:107999. ISSN 0378-7796. DOI: 10.1016/j.epsr.2022.107999
4. Zhewen Chen, Yanjuan Wang, Xiaosong Zhang, Jinliang Xu. The energy-saving mechanism of coal-fired power plant with S-CO2 cycle compared to steam-Rankine cycle. Energy. 2020;195:116965. ISSN 0360-5442. DOI: 10.1016/j.energy.2020.116965
5. Xiaoli Ma, Xudong Zhao, Yufeng Zhang et al. Combined Rankine Cycle and dew point cooler for energy efficient power generation of the power plants - A review and perspective study. Energy. 2022;238(part A): 121688. ISSN 0360-5442. DOI: 10.1016/j.energy.2021.121688
6. Zhe Kang, Shangsi Feng, Yang Lv, Jingtao Wu, Zhijun Wu. Effect of direct water injection temperature on combustion process and thermal efficiency within compression ignition internal combustion Rankine engine. Case Studies in Thermal Engineering. 2021;28:101592. ISSN 2214-157X. DOI: 10.1016/j.csite.2021.101592
7. Ametisov E.V. (Ed.). Osnovy sovremennoy energetiki: ucheb. dlya vuzov: v 2 t. [Fundamentals of modern energy: a textbook for universities: in 2 volumes]. 6th ed. Moscow: Moscow Power Engineering Institute Publ.; 2016. (In Russ.)
8. Hidemichi Fujii, Shunsuke Managi. Optimal production resource reallocation for CO2 emissions reduction in manufacturing sectors. Global Environmental Change. 2015;35:505-513. ISSN 0959-3780. DOI: 10.1016/j.gloenvcha.2015.06.005
9. Ward De Paepe, Frank Delattin, Svend Bram, Jacques De Ruyck. Discussion of the effects of recirculating exhaust air on performance and efficiency of a typical microturbine. Energy. 2012;45(1):456-463. ISSN 0360-5442. DOI: 10.1016/j.energy.2011.11.060
10. Papin V.V., Efimov N.N., Dobrydnev D.V., D'yakonov E.M., Bezuglov R.V., Shmakov A.S. Modernized steam-power cycle operating on the absorption principle. Industrial power engineering. 2022;1:18-27. (In Russ.) DOI: 10.34831/EP.2022.30.50.003
11. Ke Zhang, Haijing Ma, Qingyang Li et al. Thermodynamic analysis and optimization of variable effect absorption refrigeration system using multi-island genetic algorithm. Energy Reports. 2022;8:5443-5454. ISSN 2352-4847. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.04.004
12. Baranenko A.V. et al. Absorbtsionnye preobrazovateli teploty: monografiya [Absorption heat converters: monograph]. St. Petersburg: St. Petersburg State University of Refrigeration and Food Processing Technologies; 2005. 337 p. (In Russ.)
13. Guo C., Du X., Yang L., Yang Y. Organic Rankine cycle for power recovery of exhaust flue gas. Applied Thermal Engineering. 2015;75:135-144. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2014.09.080
14. Jianyong Wang, Zhuan Liu, Haojin Wang, Xiaoqin Liu. A new combined cooling and power system based on ammonia-water absorption refrigeration cycle: Thermodynamic comparison and analysis. Energy Conversion and Management. 2022;270:116262. ISSN 0196-8904. DOI: 10.1016/j.enconman.2022.116262
15. Morozyuk T.V. Teoriya kholodil'nykh mashin i teplovykh nasosov [Theory of refrigeration machines and heat pumps]. Odessa: Negotsiant; 2006. 712 p. (In Russ.)
16. Dixit M., Arora A., Kaushik S.C. Thermodynamic analysis of GAX and hybrid GAX aqua-ammonia vapor absorption refrigeration systems. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;40(46):16256-16265. ISSN 0360-3199. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.09.048
17. Barrera M.A., Best R., Gómez V.H., García-Valladares O., Velázquez N., Chan J. Analysis of the Performance of a GAX Hybrid (Solar-LPG) Absorption Refrigeration System Operating with Temperatures from Solar Heating Sources. Energy Procedía. 2012;30:884-892. ISSN 1876-6102. DOI: 10.1016/j.egypro.2012.11.100
18. Zavaleta-Aguilar E.W., Simoes-Moreira J.R. Horizontal tube bundle falling film distiller for ammonia-water mixtures. International Journal of Refrigeration. 2015;59:304-316. ISSN 0140-7007. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.07.022
19. Chen X., Du S. Feasibility study on ammonia water absorption refrigeration cycle without distillation column. International Journal of Refrigeration. 2022;143:94-105. ISSN 0140-7007. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2022.06.034
20. Waghare P., Sathyabhama A. Performance analysis of ammonia-based vapour absorption refrigeration system. Materials Today: Proceedings. 2022;51(part 3):1503-1509. ISSN 2214-7853. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.10.279
21. Yin Bai, Ding Lu, Zijian Liu, Maoqiong Gong, Jun Shen. An improved absorption refrigeration system for recovering two waste heat with different temperatures: Parametric analysis and comparative study. International Journal of Refrigeration. 2022;133:51-60. ISSN 0140-7007. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2021. 10.019
Информация об авторах
Папин Владимир Владимирович, канд. техн. наук, доц., доц. кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; vladimir_papin@bk.ru.
Безуглов Роман Владимирович, канд. техн. наук, доц., доц. кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; bezuglov@npi-tu.ru.
Добрыднев Денис Владимирович, аспирант, кафедра тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; d.v.dobrydnev@gmail.com.
Дьяконов Евгений Михайлович, канд. техн. наук, доц., проректор по образовательной деятельности, кафедра тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; deml@rambler.ru.
Шмаков Анатолий Сергеевич, аспирант, кафедра тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; tolikshmakov.1998@rambler.ru.
Information about the authors
Vladimir V. Papin, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Ass. Prof. of the Department of Thermal Power Plants and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; vladimir_papin@bk.ru.
Roman V. Bezuglov, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Ass. Prof. of the Department of Thermal Power Plants and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; bezuglov@npi-tu.ru.
Denis V. Dobrydnev, Graduate Student, Department of Thermal Power Plants and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; d.v.dobrydnev@gmail.com.
Evgeny M. Dyakonov, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Pro-Rector for Educational Activities, Department of Thermal Power Plants and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; deml@rambler.ru
Anatoly S. Shmakov, Graduate Student, Department of Thermal Power Plants and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; tolikshmakov.1998@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 31.01.2023; одобрена после рецензирования 03.02.2023; принята к публикации 03.02.2023.
The article was submitted 31.01.2023; approved after review 03.02.2023; accepted for publication 03.02.2023.
