CC BY
23
cheskogo reaktora [On the problem of optimizing the length of the plasma-chemical reactor core]. Teoreti-cheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii, 2003, vol. 37, no. 3, pp. 309-314.
13. Semenov, V.K., Troshin, S.L. Prognozirova-nie dliny aktivnoy zony kanal'nykh plazmokhimicheskikh reaktorov emkostnogo razryada pri sinteze ozona [On the problem of optimizing the length of the plasma-chemical reactor core]. Khimicheskaya promyshlen-nost', 2002, no. 3, pp. 34-37.
14. Semenov, V.K. Prognozirovanie dliny aktivnoy zony konversionnykh plazmokhimicheskikh reaktorov [Forecasting the length of the active zone of conversion plasma-chemical reactors]. Vestnik IGEU, 2007, issue 4, pp. 39-41.
15. Semenov, V.K., Babikova, L.G. Otsenka ef-fektivnosti sistemy okhlazhdeniya gorizontal'nykh plazmokhimicheskikh reaktorov tselevogo produkta [Evaluation of the efficiency of the cooling system of horizontal plasma-chemical reactors of the target product]. Vestnik IGEU, 2013, issue 2, pp. 15-18.
Семенов Владимир Константинович,
ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор кафедры атомных электрических станций, телефон +7 (4932) 38-57-78, e-mail: [email protected] Semenov Vladimir Konstantinovich,
Ivanovo State Power Engineering University, Doctor of Engineering Sciences (Post-doctoral Degree), Professor of the Nuclear Power Plants Department, tel. +7 (4932) 38-57-78, e-mail: [email protected]
УДК 662.61
Оценка показателей энергогенерирующей станции c низкокипящим рабочим телом в условиях угольной шахты
А.Б. Бирюков, В.В. Варакута, П.А. Гнитиев, А.С. Приходько ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Авторское резюме
Состояние вопроса: Известен ряд научно-технических решений по использованию вторичной и низкопотенциальной теплоты в различных областях хозяйственной деятельности. Одним из перспективных вариантов является использование паротурбинных установок на низкокипящих рабочих телах, которые, несмотря на низкий КПД, получают распространение. Вопросы использования вторичной и низкопотенциальной теплоты при помощи паротурбинных установок на низкокипящих рабочих телах в условиях угольных шахт не решены. В связи с этим актуальной является оценка реальных энергетических характеристик энергогенерирующей станции на низкокипящих рабочих телах в зависимости от изменения внешних факторов.
Материалы и методы: Расчетные оценки эффективности использования вторичной и низкопотенциальной теплоты шахты для электрогенерации при помощи паротурбинных установок на низкокипящих рабочих телах получены при помощи стандартных методов, используемых в технической термодинамике. Для решения поставленной задачи проанализированы и классифицированы по температурным уровням все доступные в условиях угольной шахты источники вторичной и низкопотенциальной теплоты; для определения теплового потока вторичной и низкопотенциальной теплоты каждого вида, утилизация которого возможна при помощи паротурбинных установок на Р407с, использованы уравнения теплового баланса и учтен температурный потенциал каждого источника вторичной и низкопотенциальной теплоты; для определения характеристик турбины использована стандартная методика расчета, при этом входными данными являются расход паров низкокипящих рабочих тел, температуры нагревателя и холодильника.
Результаты: Впервые для условий угольной шахты установлены показатели эффективности энергогенерирующей станции на базе одновенцовой конденсационной турбины в зависимости от изменяющихся температур конденсации, определяемых температурой холодильника. Установлено, что в течение года наиболее длительным является промежуток использования станции с наибольшей температурой холодильника 12 оС, при этом тепловой поток вторичной и низкопотенциальной теплоты, который может быть использован в условиях рассмотренной шахты, составляет 80,6 МВт. Для этих наихудших условий КПД генерации составляет 4,7 %, а мощность электрического генератора - 3,79 МВт.
Выводы: Полученные результаты необходимы при проектировании оборудования для использования вторичной и низкопотенциальной теплоты в условиях угольных шахт.
Ключевые слова: вторичная и низкопотенциальная теплота, паротурбинная установка, низкокипящее рабочее тело, энергогенерирующая станция, угольная шахта.
Estimation of performance of low-boiling working medium power-generating station in coal mine conditions
A.B. Biryukov, V.V. Varakuta, P.A. Gnitiev, A.S. Prikhodko Donetsk National Technical University, Donetsk, Ukraine E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract
Background: There are a number of technical solutions to the problem of using secondary and low-grade heat (LSH) in different fields of economy. A promising option is the use of steam turbine plants (STP) with low-boiling working mediums (LBM), which, despite their low efficiency, are becoming more and more common. However, the problems of using LSH with STP on LBM in coal mine conditions have not been resolved. Therefore, an urgent problem is to estimate real energy characteristics of the LBM power-generating station depending on changes in external factors. Materials and methods: The efficiency of using mine lSh for generating electricity by LBM steam turbine plants was calculated by standard methods applied in engineering thermodynamics. To solve the stated problem, we analyzed and classified all LSH sources available in coal mines by temperature levels; to determine LSH of each heat flux type that can be utilized by STP on R407c, we used heat balance equations accounting for the LSH sources temperature potentials; to determine turbine characteristics, we applied a standard calculation procedure, with the LBM vapor flow rate and heater and refrigerator temperatures as the input data.
Results: The authors have, for the first time, calculated the efficiency indicators of a power-generating station based on a single-stage condensation turbine for coal mine conditions depending on varying condensation temperatures determined by the refrigerator temperature. During the year, the longest period of station use was the one when the highest refrigerator temperature equaled 12 °C, and the LSH heat flux that can be utilized under such conditions in the considered mine was 80,6 MW. For these worst conditions, the generation efficiency was 4,7 %, and the electric generator power was 3,79 MW.
Conclusions: The obtained results are necessary for designing equipment utilizing secondary and low-grade heat in coal mine conditions.
Key words: secondary and low-grade heat, steam turbine plant, low-boiling working medium, power-generating station, coal mine.
DOI: 10.17588/2072-2672.2018.4.012-019
Введение. Известен ряд научно-технических решений по использованию вторичной и низкопотенциальной теплоты (ВНТ) в различных областях хозяйственной деятельности. Одним из перспективных вариантов является использование паротурбинных установок (ПТУ) на низкокипящих рабочих телах (НРТ), которые, несмотря на низкий КПД, получают распространение. В настоящее время вопросы использования ВНТ на угольных шахтах не разработаны в достаточной мере. В ходе повседневной деятельности угледобывающего предприятия с различными теплоносителями сбрасывается огромное количество ВНТ, возможность использования которой в технологическом цикле угледобычи в данное время не реализована. Различная температура источников теплоты, их удаленность друг от друга, как на поверхности, так и в горных выработках, обусловливают необходимость съема и транспортировки энергии ВНТ через промежуточный теплоноситель к интегральному теплообменнику (ИТ), в точку преобразования ее в механическую, а затем в электрическую или высокопотенциальную тепловую энергию с заданными параметрами. При применении для энергогенерации тепломашинной установки (ТМУ) в качестве холодильника могут служить породы на глубине от 30 до 100 м со средней температурой +12 оС и атмосферный воздух при его температуре ниже +12 оС, которому
присущи суточные и сезонные колебания температур, в результате чего температурный напор энергогенерирующей установки постоянно меняется. Кроме того, меняется величина теплового потока источников ВНТ в зависимости от внешних факторов (условий потребления ВНТ в течение годового цикла и сезонной тепловой нагрузки). Поэтому для дальнейшего исследования возможности утилизации, трансформации и возвращения в хозяйственный оборот ВНТ посредством паротурбинной установки с низкокипящим рабочим телом целесообразно рассмотреть пример конкретного угледобывающего предприятия.
Состояние вопроса. Начиная с 2004 г. на шахте им. А.Ф. Засядько (г. Донецк) создавалась самая мощная на постсоветском пространстве когенерационная установка с использованием шахтного метана в качестве топлива [1]. Работы осуществляла компания «Синапс» [2]. Создан когенерационный энергетический комплекс на базе 12 газопоршневых установок типа JMS 620 австрийской фирмы Jenbacher, работающих на шахтном метане с концентрацией 25 %. Суммарный КПД этих энергетических установок по теплу и электроэнергии доходит до 86 %, что недостижимо на других энергетических объектах [3]. Установленная электрическая мощность одной установки составляет 3,035 МВт, а тепловая -2,63 Гкал/ч. Основной продукцией энергоком-
плекса на данной шахте является электроэнергия, вырабатываемая газопоршневыми установками, размещенными в специальном здании. Выработанная электроэнергия за годовой цикл составляет 122,046 МВтч. Одновременно энергокомплекс вырабатывает через систему охлаждения газопоршневой установки тепловую энергию той же мощности (3050 кВт), что и электрическая, с температурным графиком 110/70 оС [4]. Утилизация подобного количества тепла (36 МВт), равно как и теплоты уходящих дымовых газов, является актуальной задачей. Базовый вариант использования тепла, вырабатываемого газопоршневой установкой, предусматривает подачу его в систему горячего водоснабжения. В летнее время года, в связи со снижением потребности предприятий в горячей воде, избытки тепла отводятся в окружающую среду [5].
В последние годы разработаны технологии, которые позволяют утилизировать и энергетически эффективно использовать метан с очень низкой концентрацией в вентиляционном воздухе шахт путем термического окисления на катализаторах [6]. Некоторые из этих технологий могут комбинироваться с системами рекуперации тепла, предназначенными для использования на шахтах для централизованного теплоснабжения или в паровых турбинах, генерирующих электроэнергию. На нескольких предприятиях мира (в Австралии, США, Китае) в целях борьбы с вредными выбросами в демонстрационных и коммерческих масштабах внедрены технологии сжигания вентиляционного метана для производства электрической и тепловой энергии. Крупнейший проект реализован в Китае в 2010 г. с применением шести установок VOCSIDIZER (разработчик MEGTEC Systems) с обработкой вентиляционного метана расходом 235000 нм3/ч (3916 нм3/мин). Значимые результаты в технологии VAM достигнуты в Австралии. На практике реализована технология получения электричества из исходящей вентиляционной струи в результате сжигания низко концентрированного метана в каталитических горелках. Доказано, что вентиляционная струя угольной шахты расходом 255000 нм3/ч может дать приблизительно 5 МВт электричества. Австралийский проект WestVAMP преобразовывает в тепло и электричество приблизительно одну пятую часть вентиляционной струи. Доказано, что энергосистемы VOCSIDIZER могут работать с низкими концентрациями метана (даже 0,1 %) без дополнительных затрат энергии. Эффективность использования энергии (тепло и электричество) энергосистемы составляет при этом приблизительно 98 %. Отсутствие пиков температуры в зоне окисления исключает появление оксидов азота. Показано, что энергия струи расходом 800 000 м3/ч с концентрацией метана 1 % может генерировать 72 МВт тепловой энергии [6].
Проблемой известных технических решений по использованию шахтного метана является то, что объемы потребления теплоты системами теплоснабжения шахтных комплексов существенно меняются в течение года, а объемы производства теплоты практически постоянны.
В некоторой мере задачи такого рода решаются в рамках ТЭЦ, на которых повышение эффективности работы тепловой схемы достигается за счет использования дополнительного замкнутого контура с НРТ. Способ усовершенствования тепловой схемы - реализация второго каскада параллельно сетевой установке. В качестве НРТ второго каскада выбран фреон, который наиболее подходит по термодинамическим и экологическим показателям. Проведенные предварительные расчетные исследования показали, что за счет применения второго каскада электрическая мощность установки увеличивается почти вдвое [7].
Вопросы использования ТМУ на НРТ для эффективного использования ВНТ в рамках шахтных комплексов до настоящего времени не ставились. В связи с этим актуальной является оценка показателей работы энергогене-рирующей станции на НРТ как потребителя ВНТ в условиях угольной шахты, имеющей в своем составе когенерационную установку, в зависимости от изменения внешних факторов.
Методы исследования. Исходя из анализа, проведенного в [8], в качестве ТМУ рассмотрена схема на основе ПТУ с хладагентом Р407с в качестве НРТ с изменяемыми параметрами. Схему подвода теплоты к интегральному теплообменнику - испарителю ПТУ примем параллельную с отдельным контуром от каждого источника ВНТ, но с последовательным нагревом НРТ (рис. 1). Ввиду малого располагаемого теплоперепада принимаем одно-венечную, с одной ступенью скорости, конденсационную, осевую турбину. Для удобства сравнения эффективности различных температурных режимов работы энергогенерирую-щей станции основным критерием будем считать количество удельной энергии W^ (кВтч) на муфте электрогенератора за годовой цикл.
Для теплового расчета проточной части ПТУ с НРТ и реальных энергетических характеристик ТМУ в качестве потребителя ВНТ необходимо:
1) установить источники ВНТ и определить их оценочные количественные характеристики;
2) оценить температуру нагревателя Тг, определяющую температуру НРТ в испарителе, и в зависимости от суточных и сезонных колебаний температур атмосферного воздуха определить температуру холодильника Тх, при которой утилизируется наибольшее количество ВНТ за годовой цикл;
3) определить используемый тепловой поток ВНТ Овнт в зависимости от внешних факторов (условий потребления ВНТ в течение годового цикла).
ЗГ
И
К
о
н
а)
\ 5 \ 2 От насоса / ] б)
Схема ТМУ и подвода теплоты: а - принципиальная схема ТМУ; б - схема подвода тепла в испаритель; 1 - интегральный теплообменник; 2 - воздушно-водяной теплообменник рудничного воздуха (Г1); 3 -водо-водяной теплообменник главного водоотлива (72); 4 - водо-водяной теплообменник утилизации метана (74); 5 - котлы системы утилизации угольной пыли (73)
Результаты исследования. Источники ВНТ. Более 95 % ВНТ в условиях угольных шахт генерируют такие источники, как дегазационный и каптируемый метан, угольная пыль, шахтные воды и отработанный рудничный воздух. Оценка запасов этих источников проведена для условий шахты им. А.Ф. Засядько на основании характеристик, представленных в интернет ресурсах:
• максимальная добыча угля -2,031 млн т/год;
• максимальная глубина горных работ -1400 м;
• температура горного массива - +49 оС;
• газоносность угольных пластов шахты -от 19 до 23 м3/т;
• общее количество воздуха, подаваемого в шахту, - 40 тыс. м3/мин;
• общий приток воды в действующие горные выработки - 600-650 м3/ч [1].
Источники ВНТ шахты можно разделить на две группы: 1) величина которых не меняется за годовой цикл работы шахты, так как они зависят только от угледобычи; 2) величина которых изменяется в зависимости от внешних
факторов. К последним относится дегазационный метан, используемый для работы шахтной ТЭЦ, пиковая теплогенерация которой составляет 36 МВт. Исходя из графика сезонной тепловой нагрузки, в период с апреля по октябрь получаемое вторичное тепло используется на 30 %, избыток сбрасывается в атмосферу. В отопительный период тепловая нагрузка зависит от температуры атмосферного воздуха. Для работы ТМУ может быть использован тепловой поток О1 = 36 0,7 = 25,2 МВт в весенне-осенний период и 01 = 36(1-к) в отопительный период, где к = 0,6-1 - отношение тепловой нагрузки к пиковой теплогенерации.
При угледобыче до 3 % угля превращается в пыль (30 кг на 1 т добытого угля), которая может быть использована для получения вторичного тепла в водогрейных и паровых котлах с пылеугольными горелками или горелками на водоугольной смеси. Для угля марки Ж и КЖ (добываемого на шахте им. А.Ф. Засядько) низшая теплота сгорания может быть принята ОР = 23,65 МДж/кг, тогда ВНТ от утилизации пыли составит:
М/уп = 3023,650,85 = 603,08 МДж/т = 167,5 кВтч/т
Условно принимаем, что тонна угля на шахте добывается в течение 15,5 с и этот показатель остается неизменным в течение всего годового цикла. Тогда О2 = 38,9 МВт.
Для соблюдения технологического процесса и правил безопасности при добыче угля необходимо интенсивное проветривание горных выработок. На каждую тонну добытого угля требуется 12,2 т свежего воздуха. Температура рудничного воздуха не должна превышать +26 оС, его средняя плотность составляет 1,18 кг/м3, т.е. на каждую добытую тонну система вентиляции шахты обеспечивает 10333 м3 свежего воздуха. Количество ВНТ, Дж, которое может быть извлечено в этом случае, будет равно
Мрв свозmвоз^Твоз,
где своз = 1000 Дж/(кгК) - удельная теплоемкость воздуха; твоз = 12200 кг - масса воздуха; ЛТвоз= Т1воз - Т2воз - перепад температур воздуха на входе и выходе предлагаемого воздушно-фреонового теплообменника, оС, в условиях шахты им. А.Ф. Засядько, когда температура холодильника составляет +12 оС (наихудший режим); Т1воз= 26 оС - температура отработанного рудничного воздуха на входе в теплообменник; Т2воз= 22 оС - температура отработанного рудничного воздуха на выходе из теплообменника.
Тогда
Мрв = 1000 12200 (26-22) = 48,8 106 Дж = = 13,56 кВтч/т, или О3 = 3,16 МВт.
При притоке воды в действующие горные выработки, составляющем 600-650 м3/ч, количество ВНТ, Дж, которое может быть извлечено, составит
W^ = с т во АТво,
где с = 4187 Дж/(кгК) - удельная теплоемкость 650•1000•24•365
2031000
= 2803,5 кг -
количество откачиваемой воды, приведенное к 1 т добытого угля; ДТво - перепад температур откачиваемой воды на входе и выходе водо-водяного теплообменника,°С,
дт = т1 - Т2,
где Т1 = 49°С - температура откачиваемой воды на водосборнике низшего горизонта; Т2 = 25 °С -принимаем не ниже температуры теплоносителя, подводимого от ИТ: ДТ = 49 - 25 = 24° С.
Тогда
Wвод = 41872803,524 = 2,8108 Дж/т = 78,3 кВтч/т, или Q4 = 18,2 МВт.
Данные об источниках ВНТ шахты им. А.Ф. Засядько сводим в табл. 1.
Определение температуры нагревателя и холодильника в режиме с максимальным потреблением ВНТ. Для выбора режима работы с температурой холодильника, при которой утилизируется наибольшее количество ВНТ за годовой цикл, необходимо определить:
1) температуру нагревателя Тг;
2) ориентировочный удельный расход пара на турбину в каждом режиме;
3) удельный тепловой поток ВНТ, необходимый для обеспечения данного расхода пара;
4) предварительный КПД ТМУ;
5) эффективную удельную работу на муфте электрогенератора;
6) удельную энергию на муфте электрогенератора за годовой цикл.
Анализ имеющихся в [9] диаграммы и таблиц состояния выбранного для исследования НРТ показывает, что наименьшие энергозатраты на испарение будут в точке с критическими параметрами. Однако при этом резко падает энтальпия пара. Поэтому температуру промежуточного теплоносителя на выходе из испарителя (последней секции ИТ) принимаем Тг = 55°С. Температуры холодильника Тх для каждого режима берем из [8].
Температура пара, оС, перед турбиной рассчитывается как
Т'= ТГ - 5.
Из [9] определяем давление пара перед турбиной: р0 = 2,2 МПа.
Тогда давление пара перед соплами составит
р0 = 0,95 • р0 = 0,95 • 4,2 = 2,09 МПа; а температура пара за турбиной Т'х = Тх + 5, оС.
Из [9] определяем давление пара за турбиной рК, МПа.
Падение давления в выходной коробке и выхлопном патрубке турбины составляет, МПа,
др = РК 410о
где X - коэффициент сопротивления выхлопного патрубка (принимаем 0,06); свп - скорость пара в выходном сечении выхлопного патрубка турбины (для конденсационной турбины принимаем 110 м/с).
Давление за рабочими лопатками венца рабочего колеса равно, МПа,
Рк = рк +ДР.
По Л, 5-диаграмме и таблицам из [9] определяем энтальпию пара при давлении р0, р'к и рк. Тогда располагаемый теплоперепад идеальной турбины составит, кДж/кг,
Н0ид = Л0 - Лкт .
Располагаемый (перерабатываемый) теплоперепад ступени, кДж/кг,
Н0 = Л0 - Лкт .
Относительный эффективный КПД турбины рассчитывается как
Пое = Пдр 'о/ 'ввр 'тм '
где Лдр =
др пт
п 0ид
; Ло/ - внутренний относитель-
ный КПД (принимаем 0,75); п™ - механический КПД турбины (принимаем 0,98); 'ввр -коэффициент выхода внутренней работы (при отсутствии отборов пара из турбины принимаем равным 1).
Таблица 1. Результаты оценки запасов различных источников ВНТ и их температурных потенциалов
воды; тво =
Наименование Способ получения Удельные запасы Мощность теплово- Температура
источника теплоты теплоты W, кВт-ч/т го потока Q, МВт источника, °С
Дегазационный метан Сжигание в газопоршневых установок типа JMS 620 0 - 108,5 0 - 25,2 110
Сжигание в котлах с пыле-
Угольная пыль угольными горелками и горелками на водоугольной смеси 167,5 38,9 110
Шахтные воды Природный геотермальный и техногенный характер 78,3 18,2 49
Отработанный рудничный Техногенный характер 13,56 3,16 26
воздух
Ориентировочный удельный расход пара на турбину составит, кг/с,
С - ^т
п0ид ^ое
Удельный тепловой поток ВНТ необходимый для обеспечения удельного расхода пара в данном режиме, определяется по формуле, кВт,
Овнт уд = С Суд ((Т - 5) - (Тх + 5)) + г Суд, где с - удельная теплоемкость жидкой фазы рабочего тела, равная 1,6 кДж/(кгК); г - удельная теплота парообразования рабочего тела, равная 149,1 кДж/кг.
Предварительный КПД на муфте электрогенератора определяется по формуле
N
Л
тму
тму
Q,
внт уд
Эффективная удельная работа турбины в данном режиме равна, кДж,
^ - ^.
Суд
Удельная энергия на муфте электрогенератора за годовой цикл составляет, кВтч,
= 1т п х,
где п - число часов работы в данном режиме Тх за годовой цикл; х = 3 ч - время между измерениями Тх.
Результаты расчета сводим в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики работы ПТУ на НРТ в течение года
Тг, К Р к, МПа Рк, МПа Ар, МПа H0ид , кДж/кг Нт, кДж/кг Лдр Лое кг/с Овнт уд, кВт Лтму Lj, кДж n, ч W„, кВтч
285 0,953 1,013 0,05997 7 6,252 0,8931 0,6565 0,2176 42,196 0,024 4,595 4308 19796,2
284 0,927 0,985 0,05833 7,36 6,529 0,8871 0,652 0,2084 40,739 0,025 4,799 219 1050,9
283 0,9 0,957 0,05664 7,72 6,95 0,9003 0,6617 0,1958 38,585 0,026 5,108 141 720,3
282 0,874 0,929 0,055 6,32 7,33 1,1598 0,8525 0,1856 36,881 0,027 5,388 243 1309,2
281 0,849 0,902 0,05343 8,48 7,68 0,9057 0,6657 0,1772 35,484 0,028 5,645 252 1422,5
280 0,824 0,876 0,05185 8,87 8,08 0,9109 0,6695 0,1684 33,997 0,029 5,939 264 1567,8
279 0,8 0,85 0,05034 9,26 8,46 0,9136 0,6715 0,1608 32,727 0,031 6,218 345 2145,2
278 0,777 0,826 0,0489 9,66 8,84 0,9151 0,6726 0,1539 31,566 0,032 6,497 357 2319,6
277 0,753 0,8 0,04739 9,98 9,26 0,9279 0,682 0,1469 30,37 0,033 6,806 339 2307,3
276 0,731 0,777 0,046 10,43 9,61 0,9214 0,6772 0,1416 29,49 0,034 7,063 402 2839,5
275 0,709 0,754 0,04462 11,02 10,3 0,9347 0,687 0,1321 27,726 0,036 7,571 357 2702,7
274 0,687 0,73 0,04323 11,29 10,48 0,9283 0,6823 0,1298 27,458 0,036 7,703 285 2195,3
273 0,666 0,708 0,04191 11,71 10,89 0,93 0,6835 0,1249 26,624 0,038 8,004 231 1849,0
272 0,646 0,687 0,04065 12,14 11,3 0,9308 0,6841 0,1204 25,85 0,039 8,306 219 1818,9
271 0,626 0,665 0,03939 12,57 11,74 0,934 0,6865 0,1159 25,067 0,04 8,629 210 1812,1
270 0,606 0,644 0,03813 13,01 12,17 0,9354 0,6875 0,1118 24,36 0,041 8,945 135 1207,6
269 0,587 0,624 0,03694 13,54 12,66 0,935 0,6872 0,1075 23,589 0,042 9,305 66 614,1
268 0,568 0,604 0,03574 13,9 13,05 0,9388 0,6901 0,1043 23,051 0,043 9,592 48 460,4
267 0,55 0,585 0,03461 14,34 13,5 0,9414 0,6919 0,1008 22,444 0,045 9,923 24 238,1
266 0,532 0,565 0,03348 14,81 13,86 0,9359 0,6879 0,0982 22,018 0,045 10,19 6 61,1
265 0,515 0,547 0,03241 15,26 14,34 0,9397 0,6907 0,0949 21,433 0,047 10,54 42 442,7
264 0,498 0,529 0,03134 15,72 14,89 0,9472 0,6962 0,0914 20,787 0,048 10,94 18 197,0
263 0,481 0,511 0,03027 16,19 15,36 0,9487 0,6973 0,0886 20,293 0,049 11,29 39 440,3
262 0,465 0,494 0,02926 16,66 15,82 0,9496 0,6979 0,086 19,841 0,05 11,63 21 244,2
261 0,449 0,477 0,02825 16,94 16,31 0,9628 0,7077 0,0834 19,378 0,052 11,99 33 395,6
260 0,434 0,461 0,02731 17,46 16,79 0,9616 0,7068 0,081 18,954 0,053 12,34 33 407,2
259 0,419 0,445 0,02637 18,08 17,27 0,9552 0,7021 0,0788 18,553 0,054 12,69 30 380,8
258 0,405 0,43 0,02549 18,58 17,73 0,9543 0,7014 0,0767 18,194 0,055 13,03 33 430,0
257 0,391 0,416 0,02461 19,07 18,19 0,9539 0,7011 0,0748 17,854 0,056 13,37 24 320,9
256 0,377 0,401 0,02372 19,55 18,71 0,957 0,7034 0,0727 17,474 0,057 13,75 15 206,3
255 0,364 0,387 0,02291 20,05 19,19 0,9571 0,7035 0,0709 17,15 0,058 14,1 12 169,3
254 0,351 0,373 0,02209 20,55 19,7 0,9586 0,7046 0,0691 16,817 0,059 14,48 12 173,8
253 0,338 0,359 0,02127 21,06 20,26 0,962 0,7071 0,0672 16,459 0,061 14,89 6 89,3
252 0,326 0,347 0,02051 21,56 20,7 0,9601 0,7057 0,0657 16,215 0,062 15,21 6 91,3
251 0,314 0,334 0,01976 22,07 21,22 0,9615 0,7067 0,0641 15,92 0,063 15,6 3 46,8
250 0,302 0,321 0,019 22,57 21,76 0,9641 0,7086 0,0625 15,625 0,064 15,99 6 96,0
Определение используемого теплового потока ВНТ шахты. В соответствии с выбранной схемой подвода тепла к интегральному теплообменнику от источников и данными табл. 1 определяем величину расходов НРТ ПТУ по каждому источнику, кг/с, в режиме с наибольшим потреблением ВНТ (когда температура холодильника составляет +12°С):
Qi + Q2 ;
G1,2 =
G3 =
"1,2
{{1,2 - Тг3 ) + r'
Q3
G4 =
c3 {Тг3 - Тг 4 )'
Q4
с4 (Тг4 Тх4 )
где Тг12 = Т' = 50 °С - температура НРТ перед турбиной; Тг3 = Ти3 - 5 = 49 - 5=44 оС -температура НРТ на входе в испаритель; с12 = 1722 Дж/(кгК) - теплоемкость НРТ при Т3 r = 149100 Дж/кг - скрытая теплота парообразования НРТ при Тг1,2; Тг4 = Ти4 - 5 = 26 - 5 = 21 оС -температура НРТ на входе в секцию теплообменника водоотлива; с3 = 1517 Дж/(кгК) - теплоемкость НРТ при Тг4; Тх4 = Тх + 5 = 12 + 5 = 17 оС -температура НРТ на выходе из конденсатора ПТУ; с4 = 1488 Дж/(кгК) - теплоемкость НРТ при ТХ4.
Тогда
(25,2 + 38,9)-106
G1,2 =
G3 =
1722 ^{50 - 44) +14,91 • 104
18,2 • 106 .
= 521,6 кг/с ;
= 402,05 кг/с ;
G4 =-
1517 {44 - 21) 3,16 • 106
= 530,91 кг/с.
1488 (21-17)
К дальнейшему расчету принимаем наименьшее значение расхода НРТ: G = G12 = 402,05 кг/с.
Уточняем величины тепловых потоков ВНТ, используемых в теплообменниках ИТ секций водоотлива и рудничного воздуха: Q3 = CзG(Tгз - Тг4) = 1517 402,05 (44 - 21) = = 14,03106 Вт = 14,03 МВт; Q4 = C4G(Тг4 - Тх4) = 1488 404,7(21 - 17) = = 2,4106 Вт = 2,4 МВт;
Тогда величина суммарного теплового потока ВНТ, используемого в данном режиме, составит
Qi = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 25,2 + 38,9 + 14,03 + 2,4 = = 80,53 МВт.
Выводы. Источниками ВНТ в условиях угольных шахт являются отработанный рудничный воздух, теплота шахтных вод, угольная пыль и дегазационный метан.
В результате анализа значений температур нагревателя и холодильника в течение года установлено, что наибольшее количество ВНТ за годовой цикл используется, когда температура холодильника составляет +12 оС (285 К), а
температурный напор между источником с максимальной температурой (110 °С), подводящим энергию BHT к испарителю ПTУ, и конденсатором ПTУ составляет 98 °С, ввиду наибольшей длительности этого режима. Поэтому определение геометрии проточной части турбины в дальнейшем необходимо выполнять именно для этого значения температуры холодильника.
В результате анализа изменений основных характеристик работы ПTУ в течение года с учетом изменения внешних условий установлено, что суммарный тепловой поток первичной энергии BHT, который может быть использован и частично возвращен в хозяйственный оборот шахты, составляет при работе в наиболее характерном режиме 80,6 МВт. При этом имеем КПД производства электроэнергии 4,7 % и мощность, выдаваемую электрическим генератором, 3,79 МВт.
Список литературы
1. Федоров С.Д., Облакевич С.В., Ра-дюк О.П. Проблема утилизации шахтного метана в когенерационных установках и пути ее решения на примере шахты им. А.Ф. Засядько // Промэлектро. -2006. - № 5. - С. 41-45.
2. Федоров С.Д. Процессы комбинированной выработки электро- и теплоэнергии и их реализация в проектах ИПП «Синапс » // Энерговести. -2004. - № 2. - С. 5-6.
3. Гурьянов В.В. Состояние газобезопасности и направления работ по совершенствованию дегазации и утилизации шахтного метана на Украине // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2004. - № 8. -С. 184-187.
4. Коровяка Е.А., Манукян Э.С., Василенко Е.А. Перспективы извлечения шахтного метана и его утилизация в условиях шахты «Западно-донбасская» ОАО «Павлоградуголь» // Ыаучный вестник ЫГУ. - 2011. - № 4. - С. 39-44.
5. Yefremov I.A., Podkopaev S.V., Moroz О.К. Ыаправления энергообеспечения и экологической безопасности промышленных горнодобывающих регионов путем создания теплоэнергетических комплексов // Management Systems in Production Engineering. - 2014. - No. 2(14). - P. 81-85.
6. Круть Б.А., Рак А.Н., Мирошниченко Н.Н. Перспективные направления утилизации метана угольных шахт // Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сб. науч. работ XV науч.-техн. конф. асп. и студ. в г. Донецке, 25-26 мая 2016 г. - Донецк: ДонП^У, 2016. - 341 с.
7. Реализация каскадных тепловых схем с применением турбин на низкокипящих рабочих телах / А.Л. Шубенко, А.В. Pусанов, А.В. Сенецкий, PA Pу-санов // Вестник Ыац. техн. ун-та «ХПИ»: сб. науч. тр. -Харьков: Ь^У «ХПИ». - 2013. - № 12. - С. 24-29.
8. Бирюков А.Б., Варакута В.В., Гнитиев П.А. Оценка эффективности энергогенерирующей станции, утилизирующей вторичную и низкопотенциальную теплоту в условиях угольных шахт, методом термодинамического анализа // Вестник ИГЭУ. -2018. - Вып. 2. - С. 12-20. doi: 10.17588/20722672.2018.2.012-020.
9. Bell Ian H., Wronski. Pure and Psedo-pure Fluid Thermophysical Property Evalution and the
Open-Source Thermophysical Propety Library Cool-Prop. Standard Reference Data Program. 2014 http://www.coolprop.org/fluid_properties/fluids/R1234ze (Z).htm
References
1. Fedorov, S.D., Oblakevich, S.V., Radyuk, O.P. Problema utilizatsii shakhtnogo metana v kogenerat-sionnykh ustanovkakh i puti ee resheniya na primere shakhty im. A.F. Zasyad'ko [Problem of utilizing coalmine methane in cogeneration plants and its solutions at the A.F. Zasyadko coalmine as an example]. Prome-lektro, 2006, no. 5, pp. 41-45.
2. Fedorov, S.D. Protsessy kombinirovannoy vy-rabotki elektro- i teploenergii i ikh realizatsiya v proektakh NPP «Sinaps» [Processes of combined generation of electric and heat power and their implementation in SINAPSE company projects]. Energovesti, 2004, no. 2, pp. 5-6.
3. Gur'yanov, V.V. Sostoyanie gazobezopas-nosti i napravleniya rabot po sovershenstvovaniyu de-gazatsii i utilizatsii shakhtnogo metana na Ukraine [Gas safety and directions of improving methods of degassing and coalmine methane utilization in Ukraine]. Gor-nyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal), 2004, no. 8, pp. 184-187.
4. Korovyaka, E.A., Manukyan, E.S., Vasilen-ko, E.A. Perspektivy izvlecheniya shakhtnogo metana i ego utilizatsiya v usloviyakh shakhty «Zapadno-donbasskaya» OAO «Pavlogradugol'» [Prospects for coalmine methane recovery and utilization in conditions of the «Zapadno-Donbasskaya» coal mine of OAO «Pavlogradugol»]. Nauchnyy vestnik NGU, 2011, no. 4, pp. 39-44.
5. Yefremov, I.A., Podkopaev, S.V., Moroz, O.K. Napravleniya energoobespecheniya i ekologicheskoy bezopasnosti promyshlennykh gornodobyvayushchikh regionov putem sozdaniya teploenergeticheskikh kom-pleksov [Provision of energy supply and environmental
safety of industrial coal-mining regions by creating heat power complexes]. Management Systems in Production Engineering, 2014, no. 2(14), pp. 81-85.
6. Krut', B.A., Rak, A.N., Miroshnichenko, N.N. Perspektivnye napravleniya utilizatsii metana ugol'nykh shakht [Promising directions of coalmine methane utilization]. Sbornik nauchnykh rabot XV nauchno-tekhnicheskoy konferentsii aspirantov i studentov «Avto-matizatsiya tekhnologicheskikh ob"ektov i protsessov. Poisk molodykh» [Collection of scientific papers of the XV scientific and technical conference of post-graduate students and students «Automation of technological facilities and processes»]. Donetsk: DonNTU, 2016. 341 p.
7. Shubenko, A.L., Rusanov, A.V., Senets-kiy, A.V., Rusanov, R.A. Realizatsiya kaskadnykh teplo-vykh skhem s primeneniem turbin na nizkokipyashchikh rabochikh telakh [Implementation of heat cascade diagrams by using low-boiling working medium turbines]. Vestnik Natsional'nogo tekhnicheskogo universiteta «KHPI»: sbornik nauchnykh trudov [Vestnik of the National Technical University «KhPI»: a collection of scientific papers]. Khar'kov: NTU «KHPI», 2013, no. 12, pp. 24-29.
8. Biryukov, A.B., Varakuta, V.V., Gnitiev, P.A. Otsenka effektivnosti energogeneriruyushchey stantsii, utiliziruyushchey vtorichnuyu i nizkopotentsial'nuyu tep-lotu v usloviyakh ugol'nykh shakht, metodom termodi-namicheskogo analiza [Estimation of the efficiency of the power-generating plant utilizing secondary and low-grade heat in coal mine conditions by the thermodynamic analysis method]. Vestnik IGEU, 2018, no. 2, pp. 12-20. doi: 10.17588/2072-2672.2018.2.012-020.
9. Bell, Ian H., Wronski, J. Pure and Psedo-pure Fluid Thermophysical Property Evalution and the Open-Source Thermophysical Propety Library Cool-Prop. Standard Reference Data Program. 2014 http://www.coolprop.org/fluid_properties/fluids/R1234ze (Z).htm
Бирюков Алексей Борисович,
ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»,
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технической теплофизики,
адрес: г. Донецк, ул. Кобозева, д. 15, ауд. 145а, телефон +38 (050)-260-97-75, e-mail: [email protected] Biryukov Aleksei Borisovich, Donetsk National Technical University,
Doctor of Engineering Sciences (Post-Doctoral Degree), Professor, Head of the Engineering Thermophysics Department, address: Donetsk, No. 15 Kobozeva St., Room 145a, tel. +38 (050)-260-97-75, e-mail: [email protected]
Варакута Виктор Владимирович, ГП НИИВЭ,
научный сотрудник, аспирант,
телефоны +38 (066)-402-27-72, e-mail: [email protected] Varakuta Viktor Vladimirovich, GP «NIIVE»,
Research worker, Post-graduate student,
tel. +38 (066)-402-27-72, e-mail: [email protected]
Гнитиев Павел Александрович,
ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», кандидат технических наук, доцент кафедры технической теплофизики,
адрес: г. Донецк, ул. Кобозева, д. 15, ауд. 145а, телефон +38 (066) 671-34-71, e-mail: [email protected] Gnitiev Pavel Aleksandrovich, Donetsk National Technical University,
Candidate of Engineering Sciences (PhD), Associate Professor of the Engineering Thermophysics Department, address: Donetsk, No. 15 Kobozeva St., Room 145a, tel. +38 (066) 671-34-71, e-mail: [email protected]
Приходько Анна Сергеевна,
ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», студент,
адрес: г. Донецк, ул. Кобозева, д. 15, ауд. 145а, телефон +38 (095) 028-64-18, e-mail: [email protected] Prikhodko Anna Sergeyevna, Donetsk National Technical University,
Student, address: Donetsk, No. 15 Kobozeva St., Room 145a, tel. +38 (095) 028-64-18, e-mail: [email protected]
