Эксергетические характеристики биогазовых энергоустановок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

■а о

Запропоновані теплові схеми біогазових установок. Представлено методику ексерге-тичного аналізу різних схем біогазових установок, виконано зіставлення параметрів циклів розглянутих установок і наведено розрахунок і аналіз ексергетичних характеристик газотурбінної установки, парогазової установки зі скиданням газів у котел і паро-газової установки з високотемпературним парогенератором і проміжним перегрівом пари

Ключові слова: ексергетичні характеристики, біогазова установка, високотемпературний парогенератор, проміжний перегрів пари

□-----------------------------------□

Предложены тепловые схемы биогазовых установок. Представлена методика эксер-гетического анализа различных схем биога-зовых установок, выполнено сопоставление параметров циклов рассматриваемых установок и приведен расчет и анализ эксергети-ческих характеристик газотурбинной установки, парогазовой установки со сбросом газов в котел и парогазовой установки с высокотемпературным парогенератором и промежуточным перегревом пара

Ключевые слова: эксергетической характеристики, биогазовая установка, высокотемпературный парогенератор, промежуточный перегрев пара ------------------□ □---------------------

УДК 536.24

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

БИОГАЗОВЫХ

ЭНЕРГОУСТАНОВОК

А. С. Мазуренко

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* Директор Института энергетики и компьютерноинтегрированных систем управления Email: [email protected] А. Е. Денисова Доктор технических наук, профессор* Email: [email protected] А. А. Климчук Кандидат технических наук, доцент* Email: [email protected] Нго Минь Хиеу Аспирант* Email: [email protected] П. А. Котов Кандидат технических наук, ассистент* Email: [email protected] *Кафедра тепловых электрических станций и энергосберегающих технологий Одесский национальный политехнический университет просп. Шевченко, 1, г. Одеса, Украина, 65044

1. Введение

Использование биогазовых энергоустановок стимулируется непрерывным ростом цен на традиционные источники энергии, запасы которых ограничены. По оценкам экспертов разведанных запасов природного газа хватит на 50...60 лет [1]. Использование альтернативных топлив в энергоустановках способствует сохранению традиционных энергоресурсов и улучшению состояния окружающей среды в соответствии с принципами энергосберегающих технологий.

Согласно Закону Украины об энергосбережении [2] актуальной задачей является повышение экономической эффективности энергетических установок, использующих альтернативные виды топлива. Биогазо-вые энергоустановки широкого распространения пока не получили, что объясняется тем, что при использовании природного газа затраты на обслуживание традиционных энергоустановок минимальны, а применение биогаза связано с плохо прогнозируемыми затратами на сбор, транспортировку, хранение и подготовку сырья. Поэтому использование биотоплива экономически целесообразно в местах, расположенных вблизи аграрного производства, где развита инфраструктура

сбора и подготовки биомассы к использованию в энергоустановках [3].

Одним из направлений повышения энергетической эффективности биогазовых установок является применение парогазовых технологий.

2. Постановка проблемы и литературный обзор

Перспективным альтернативным источником энергии является биогаз, который можно получать из отходов жизнедеятельности людей, растительного и животного мира. Кризис мировой экономики, связанный с нехваткой топливно-энергетических ресурсов, стимулирует внедрение энергосберегающих технологий утилизации биологических отходов с выработкой обогащенного биогаза, способного заместить природный газ для электростанций и транспорта. Кроме того, выработка биогаза сопровождается получением дополнительного ценного продукта - экологически чистого удобрения для аграрного сектора, реализация которого сократит срок окупаемости альтернативной установки примерно в 3 раза.

© H. С. Мазуренко. H. Е. Денисова. H. H. Нлимчук. Нго Минь Хіви П. н. Нотов. 2014

F

Анализ исследований по использованию биога-зовых технологий [4] позволяет сделать заключение

о следующих положительных аспектах их применения:

- экономические: за счет конвертации энергия химических связей органических отходов превращается в энергию альтернативного топлива (биогаза) с одновременным получением экологически чистых удобрений, в результате, достигается снижение экологических платежей; генерация собственной электроэнергии и теплоты; производство экологически чистых удобрений;

- энергетические [5]: получение собственной тепловой и электрической энергии при использовании биогаза в когенерационных установках, что положительно влияет на структуру топливно-энергетического баланса страны;

- экологические [6]: утилизация органических отходов и очистка стоков, при этом содержание органических веществ в отходах снижается в 10 раз, за счет переработки и за счет замещения углеводородов в энергобалансе, что приводит к сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу - метана (СН4) и углекислого газа (СО2);

- географические: возможность размещения установок в любом регионе Украины, где есть достаточное количество органического сырья вне зависимости от наличия объектов традиционной энергетики, инженерных и транспортных сетей;

- инфраструктурные: при наличии сырья биогазо-вые установки могут заместить объекты традиционной энергетики (газопроводы, котельные, электросети, трансформаторы) и другие объекты инфраструктуры (хранилища отходов, подъездные пути), а при автономной работе отсутствуют затраты на подключение к энергосетям.

Социальные [7]: возможность обеспечения теплотой и электроэнергией объекты социальной инфраструктуры, расположенные поблизости (жилые дома, школы, больницы, детские сады, базы отдыха и др.), решение проблемы занятости в сельских районах, развитие инфраструктуры села, что положительно сказывается на уровне жизни населения.

В качестве источника альтернативного топлива для парогазовых энергоустановок (ПГУ) необходимо предусмотреть в тепловых схемах эффективные генераторы биогаза. В зависимости от мощности и назначения, тепловые схемы парогазовых установок могут отличаться составом основных элементов.

3. Тепловые схемы парогазовых установок на биотопливе

На рис. 1 представлена принципиальная тепловая схема биогазовой ПГУ мощностью до 1 МВт для фермерских хозяйств и промышленных предприятий, назначением которой является выработка электроэнергии и биоудобрений. При этом отсутствует зависимость объектов от внешних источников энергии, а дополнительная прибыль получается за счет продажи избыточной электроэнергии и экологически чистых удобрений [3].

Рис. 1. Схема ПГУ мощностью до 1 МВт с генератором биогаза: ГТУ — газотурбинная установка;

Э — электрогенератор; Б — бойлер; БГ — генератор биогаза

На рис. 2 представлена принципиальная тепловая схема биогазовой ПГУ мощностью более 1 МВт, которая в перспективе может заменить энергоблоки на традиционных видах топлива [3].

Рис. 2. Схема ПГУ мощностью более 1 МВт с генератором биогаза:ГТУ — газотурбинная установка;

ПТУ — паротурбинная установка; Э — электрогенератор;

К — конденсатор; БГ — генератор биогаза; Ф — фильтр

На рис. 3 представлена принципиальная схема когенерационной парогазовой установки на биогазе мощностью более 1 МВт, предназначенная для выработки электроэнергии, тепловой энергии для целей отопления и горячего водоснабжения, а также для производства экологически чистых биоудобрений [3].

Рис. 3. Схема теплоэлектростанции с генератором биогаза более 1 МВт: ГТУ — газотурбинная установка;

ПТУ — паротурбинная установка; Э — электрогенератор;

К — конденсатор; Б — бойлер; БГ — генератор биогаза;

Ф — фильтр

4. Эксергетический метод анализа тепловых схем биогазовых энергоустановок

Целью статьи является обоснование выбора наиболее эффективной схемы биогазовой установки (рис. 1 - 3) на основе эксергетического метода [8].

3

Эксергия теплоты определяется наибольшей удельной работой, которую можно получить из располагаемого удельного количества теплоты q, равна удельной работе обратимого цикла Карно

1ц = q■'nц, (1)

т

где По = 1 - тр - термический КПД цикла Карно;

q - удельная располагаемая теплота, кДж/кг;

Т0 - температуры теплоприемника (окружающей среды), К;

Т - заданная температура теплоотдатчика, К.

При этом, удельная эксергия теплоты заданного потенциала Т:

ех=^[1- (То / Т)]. (2)

Эксергия потока рабочего тела определяется максимальной полезной работой, которую можно получить при обратимом переходе рабочего тела в состояние термодинамического равновесия с окружающей средой (ро, То):

ех= i - iо -То ^ - sо)=lпот + Аех, (3)

где 1пот = i - ^ - удельная работа потока, кДж/кг;

Дех = Т0^ - so) - потеря удельной эксергии рабочего тела в потоке, кДж/кг.

Поскольку работа потока:

51пот = - di = - vdp, (4)

то удельную работу удобно определить по ^ диаграмме:

2

1пот = АЧ-а = i1 - ^ =-| vdP, (5)

ходованная эксергия является разностью подведенной эксергии еХ1 в цикле и отведенной еХ2:

Пц = ---. (8)

ех4 - ех2

По разности удельных эксергий или удельных энтальпий в начальной и конечной точках процесса, можно определить тепловую эффективность соответствующей биогазовой энергоустановки. Определим полезную работу изоэнтропного расширения рабочего тела в газовой турбине:

1тг= евх - евых = i1 - ^, (9)

где евх, евых - удельные эксергии рабочего тела в потоке на входе и выходе, кДж/кг.

Линии равных значений эксергии в i-s диаграмме прямые и в области насыщенного пара совпадают с линиями Т=const (Р=сом^. Линия, соответствующая ех=0, касается изобары Р0 в точке окружающей среды 0. Отрезок по изоэнтро-пе между точкой, определяющей состояние вещества, и линией окружающей среды представляет собой эксергию относительно нулевого состояния (рис. 4).

где І1 - іа - разность удельных энтальпий рабочего тела при расширении в турбине с производством удельной работы потока 1пот, кДж/кг.

Для источника теплоты - продуктов сгорания, изменяющих свою температуру при движении по газоходам парогенератора, справедливо:

ех = Т0 ■ AS ,

(6)

Рис. 4. Эксергия на — диаграмме водяного пара: е-| — эксергия точки 1 относительно нулевого состояния

Удельная работа изоэнтропного расширения газа в газовой турбине

1тг Ср,г ■ А^тг ,

(10)

где

вых

А8 = I — - уменьшение удельной энтропии газа * т

при отдаче теплоты рабочему телу (воде), кДж/(кг-К).

Эксергетический КПД цикла определяется отношением полезно используемой эксергии Дехп ко всей израсходованной Дехрас:

Пц =

Аехп

Аех„„

(7)

Применительно к энергоустановкам полезно используемая эксергия превращается в действительную работу цикла 1цд с учетом его необратимости, а израс-

где А^г = Т

1 --

''ТГ /

(11)

ср,г — удельная теплоемкость рабочего тела, кДж/(кг-К);

Т1 — температура газа на входе в турбину, К; птг — степень расширения газа в турбине; кг — коэффициент адиабаты газа.

Удельная работа изоэнтропного сжатия воздуха в воздушном компрессоре:

1к = Ср,в -А,

(12)

С

где AtK = Т4

кв -І

~кТ

- І

(ІЗ)

ср,в - удельная теплоемкость рабочего тела (воздуха), кДж/(кг-К);

Т4 - температура воздуха на входе в воздушный компрессор, К;

пк - степень сжатия воздуха в воздушном компрессоре;

кв - коэффициент адиабаты воздуха.

Удельная работа изоэнтропного сжатия воды в питательном насосе:

1пн =AP -AV

(14)

где Др ДV

разность давлений в насосе, кПа;

удельный объем питательной воды, питательным насосом в парогенератор, м3/кг.

а б

Рис. 6. Парогазовая установка со сбросом газов в парогенератор: а — тепловая схема; б — цикл в координатах i—s; К — компрессор; КС — камера сгорания; ТГ — турбина газовая; ТП — турбина паровая;

ТП — питательный насос; Конд — конденсатор;

ПГ — парогенератор; Эл — электрогенератор

подаваемый

.3

5. Эксергетические характеристики различных схем биогазовых энергоустановок

Используя приведенные выше расчетные формулы, определим эксергетические КПД для различных схем биогазовых энергоустановок (рис. 5 - 7) [9]. Для учета потерь эксергии на трение рабочего тела в элементах установки, будем использовать адиабатные КПД. Реальные процессы расширения и сжатия в цикле отклоняются от изоэнтроп с увеличением энтропии на Д5. Для эксергетическо-го анализа эффективности тепловых схем посредством ограничим систему, включающую элементы, которые вырабатывают либо потребляют электрическую либо механическую энергию, контрольной поверхностью для учета входящих и выходящих потоков эксергии, пересекающих указанную поверхность.

а б

Рис. 7. Схема и цикл ПГУ с высоконапорным парогенератором (ВП) и промежуточным перегревом пара: а — тепловая схема; б — цикл в координатах i—s;

К — компрессор; КС — камера сгорания; ТГ — турбина газовая; ПП — пароперегреватель; Э — экономайзер;

Эл — электрогенератор; И — испаритель парогенератора; ТП — турбина паровая; Конд — конденсатор;

ТП — питательный насос

КС

Г"

ТГ

и

4-

41

Эл

-(Э

/ , Pj= const

<1 / ,-7у - const 1

/ \ /в,-const

‘г / \ / T2 = const

/ /2

'5 б/ /

і4 41/ s

6. Результаты расчета эксергетических характеристик различных схем биогазовых энергоустановок

В качестве примера выполним расчет эксергетического КПД для трех циклов (рис. 5 - 7) биогазовых энергоустановок. Параметры цикла газотурбинной установки (ГТУ) для рассматриваемых тепловых схем приняты одинаковыми (табл. 1).

Tаблица 1

б

Рис. 5. Газотурбинная установка: а — тепловая схема; цикл в координатах i—s; К — компрессор; КС — камера сгорания; ТГ — турбина газовая; Эл — электрогенератор

Параметры ГТУ

№ точки цикла ГТУ (рис. 2) t, oC P бар i, кДж/кг

1 1000 6,1 І2Б0

2 Б88 1,02 807

З 20 1,0 21

Б 2Б1 6,12 2Б4

а

б

3

6. 1. Эксергетический КПД для ГТУ

Для учета потерь трения при сжатии рабочего тела в компрессоре (рис. 5) адиабатный КПД компрессора принят пк = 0,85; газовой турбины - птг = 0,9.

Согласно уравнению (8) эксергетический КПД ГТУ:

Пц2 =-

1ц.д _ т ■ (!Тг -Птг - 1к / Пк) + (1тп ■ Птп - 1нп / Пнп )

q

. т [(і1 - І2 ) - (І5 - І4 )] + (І1- - І2-) - (і4- І3- )

т(І1 - І5 )

Пц1 =

_ 1ц.д _1тг-Птг -1к/ Пк_(І1 - І2 ) - (І5 - І4 )

, (15)

где 1тг - удельная работа изоэнтропного расширения газа в турбине, кДж/кг;

1к - удельная работа изоэнтропного сжатия воздуха в компрессоре, кДж/кг;

q - удельная располагаемая теплота, кДж/кг;

І1, І4 - энтальпия продуктов сгорания и воздуха в соответствующих точках цикла ГТУ, кДж/кг.

Значения энтальпий і1 и і4 (табл. 1) определяются расчетным путем (і = Ср- 1) по заданной температуре ^ и 14 и теплоемкости продуктов сгорания и воздуха [5], соответственно, а значения энтальпий і2 и І5 - по формулам (10), (12) с учетом пк и птг.

Окончательно для ГТУ

_ = (1250 - 807) - (254 - 21) =

Пц1 1250 - 254 , .

6. 2. Эксергетический КПД для парогазовой установки цикла (ПГУ) со сбросом газов в парогенератор

Для паровой турбины ПГУ (рис. 6) адиабатный КПД Птп = 0,9; температура газов на выходе из парогенератора І3 = 150 °С; удельная теплоемкость газа, поступающего из ГТ ПГУ в парогенератор, срг = 1,19 кДж/(кгК) [10] при температуре 12 = 588 °С. Построение парового цикла ПГУ выполнено с использованием і- диаграммы водяного пара (табл. 2).

Таблица 2

Параметры ПГУ со сбросом газов в парогенератор

№ точки цикла ПГУ (рис. 3) 1, 0С Р, бар і, кДж/кг

1/ 550 10 3600

2/ 33 0,05 2510

3/ 33 0,05 138

4/ 36 10,1 170

С учетом того, что для нагрева 1 кг воды необходимо затратить теплоту т кг газа, из теплового баланса парогенератора

G„

т = — = -

G„

(16)

где Gг и Gв - соответственно расходы газа в газотурбинном цикле и воды в паротурбинном цикле ПГУ С учетом формулы (16)

3600 -170

т _---------------= 6,6 кг газа/кг воды.

1,19 ■ (588 -150)

Согласно формуле (8), эксергетический КПД ПГУ

После подстановки значений массы газа т и энтальпий в соответствующих точках цикла ПГУ (табл. 1, 2) эксергетический КПД ПГУ со сбросом газов в парогенератор

Пц2

6,6 [(1250-807)-(254-21)]

6,6(1250-254) (3600 - 2510) - (170 -138)

6,6(1250 - 254)

= 0,37

6. 3. Эксергетический КПД парогазового цикла с промежуточным перегревом пара и высоконапорным парогенератором (ПГУ с ВП).

Построение парового цикла ПГУ ВП (рис. 7) выполнено с использованием i-s диаграммы водяного пара при тех же параметрах цикла ГТУ (табл. 1).

Из теплового баланса теплообменника, включающего экономайзер и пароперегреватели (рис. 7), можно определить массу газа т/, необходимую для нагрева 1 кг воды:

т-= (і5- і4-) + (і1--і6-)+(іа -Іс)

(18)

После подстановки значений энтальпий в соответствующих точках цикла ПГУ с ВП (табл. 3) в формулу (18):

(1531 -170) + (3480 - 2592) т _ 807 -165 +

(3600 - 2880)

807 -165

= 4,6 кг газа/кг воды.

Согласно формуле (8) эксергетический КПД ПГУ с ВП

Пц3 =

1

ц.д _ _

т [(і1 - і2) - (і5 - і4)]

ех1 - ех2 q т [(і1 - і5 ) - (і6-- і5-)]

(і1-- іс) + (іа - і2- ) - (і4-- і3-) т [(і1 - і5) - (і6-- і5- )]

Параметры ПГУ с ВП

(19)

Таблица 3

№ точки цикла ПГУ с ВП (рис. 4) 1, 0С Р, бар і, кДж/кг

1/ 550 140 3480

с 220 10,1 2880

в 550 10 3600

2/ 33 0,05 2510

3/ 33 0,05 138

4/ 36 141 170

5/ 335 140,5 1531

6/ 335 140,5 2592

£

Подставляя значения т и i для соответствующих точек (табл. 1 - 3), получим КПД ПГУ с ВП

_ 4,6 [(1250-807)-(254-21)] + (3480-2880)

Пц3 _ 4,6[(1250-254)+(2592-1531) +

+ (3600 - 2510) -(170 -138) _ 0 47

+ 4,6[(1250 - 254) + (2592 -1531) _ , .

7. Выводы

Как видно из приведенных выше расчетов, цикл биогазовой ПГУ с промежуточным перегревом пара и использованием высоконапорного парогенератора (рис. 7) является наиболее эффективным по эксер-гетическим показателям. Это объясняется тем, что традиционная парогазовая установка позволяет повысить КПД за счет использования температурного потенциала газов, уходящих из газовой турбины для генерации рабочего водяного пара в парогенераторе с

подачей его в паровую турбину для привода электрогенератора. Однако, доля тепловой энергии продуктов сгорания, приходящаяся на паровой цикл, примерно в 3 раза меньше доли тепловой энергии продуктов сгорания, приходящейся на газовый цикл. Тепловая схема биогазовой ПГУ (рис. 7) позволяет исправить этот недостаток за счет применения высоконапорного парогенератора, который реализует столько же тепловой энергии продуктов сгорания, сколько и парогенератор, стоящий на выходе из газовой турбины. Таким образом, доля тепловой энергии продуктов сгорания, потребляемая паровым циклом, удваивается. В результате перераспределения тепловой энергии продуктов сгорания между газовым и паровым циклами в пользу парового цикла, как более эффективного, КПД парогазовой установки увеличивается по сравнению с традиционной схемой на 6 %. При оптимальных параметрах по давлению и температуре для парогазового цикла (рис. 7 и табл. 3) КПД повышается на 10 %, что подтверждается расчетами для каждой схемы (рис. 5 - 7).

Литература

1. Кожевников, Н. Н. Экономика и управление энергетическими предприятиями [Текст] / Н. Н. Кожевников - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 432 с.

2. Закон України про енергозбереження: №74/94 від 1.07.1994 р.// Закони України. - Київ, 1997. - Т.7. - С. 281 - 291.

3. Мазуренко, А. С. Економічна ефективність парогазових установок на біопаливі [Текст] / А. С. Мазуренко, А. Є. Денисова, Нго Мінь Хієу // Енергетика: економіка, технології, екологія. - 2013 (32).-№ 1.- С.15 - 19.

4. Блинова, Л. А. Биогазовые установки как альтернативный источник энергии в АПК [Текст] / Л. А. Блинова // Проблемы современной экономики: материалы II междунар. науч. конф. октябрь 2012 — Челябинск:, 2012. — С. 41-44.

5. Денисова, А. Е. Оценка эффективности биогазовых электростанций [Текст] /А. Е. Денисова, Нго Минь Хиеу // Матеріали конференції «Холод в енергетиці і на транспорті: сучасні проблеми кондиціонування та рефрижерації». Ч. 2 : НУК, 2013. -С. 251-256

6. Объединение «Альтернативная технология» представляет технологию и установки для производства биоудобрений и биогаза [электронный ресурс] - Режим доступа: Ьйр://да^»/Ь^а8.уп.иа - Установки для получения биоудобрений и биогаза.

7. Климчук, О. А. Установка комбінованої системи альтернативного теплопостачання навчального корпусу ОНПУ [Текст] / О. А. Климчук, Нго Мінь Хієу, А. С. Мазуренко, А. Є. Денисова // Матеріали IV міжнародної конференції магістрів, аспірантів та науковцівців. - 2013. - Т. 2. - С. 92 - 94.

8. Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа [Текст] / В. М. Бродянский - М.: Энергия,

1973. - 296 с.

9. Денисова, А.Е., Нго Минь Хиеу. Эксергетические характеристики биогазовых энергоустановок [Текст] / А. Є. Денисова, Нго Мінь Хієу // Тр. Одес. политехн. ун-та., 2013. - Вып.2 (41). - С. 151-156.

10. Арсеньев, Л. В. Стационарные газотурбинные установки [Текст] / Л. В. Арсеньев, В. Г. Тырышкин, И. А. Богов - Л.: Маши-

ностроение, 1989. - 513 с.

3