CC BY
22
УДК 621.311;621.576
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
В.И.Гриценко Омский государственный технический университет
Комплексное производство электроэнергии, теплоты и холода (С02) в газотурбинных энергоустановках с системой напорной утилизации теплоты и при глубоком охлаждении продуктов сгорания топлива обеспечивают по сравнению с раздельным экономию топлива на 30-40%, снижение металловложений на 30-35% и уменьшение в 1,5-2 раза вредных выбросов в атмосферу.
Основным источником производства тепловой и электрической энергии в нашей стране и за рубежом является органическое топливо, и поэтому разработка предложений по экономии топлива и защите окружающей среды от вредных выбросов, поступающих в атмосферу вместе с дымовыми газами, в том числе из-за эксплуатации большого числа мелких неэкономичных котельных, - важная народнохозяйственная задача. Совместно с продуктами сгорания в окружающую среду поступают в тех или иных количествах окислы серы S02, азота NOx, продукты неполного сгорания топлива, а также огромное количество двуокиси углерода и паров воды, содержащих вредные компоненты, которые впоследствии, конденсируясь, возвращаются на землю. Аналогичные вредные выбросы в атмосферу присущи и г. Омску, в котором наряду с крупными теплоисточниками эксплуатируется более 200 ведомственных и муниципальных котельных, не оборудованных эффективными устройствами по очистке газов и существенно загрязняющих окружающую среду[1].
Для снижения SO, и NOx разработаны способы, например газификация твердых и тяжелых топлив и
1 Топливо 1
Воздух
Горячая вода Пар / 4 Вода |
I
—<
впрыск воды или пара в зону горения. Вместе с тем, особенно в последние годы, большую тревогу общественности вызывает рост в атмосфере углекислого газа (С02), повышение концентрации которого способствует парниковому эффекту и может привести к изменению климата. Согласно имеющимся данным [2], концентрация диоксида углерода возрастает на 0,5% в год, что с учетом предполагаемого увеличения мирового потребления органического топлива с 9,3 в 1997 г. до 12 млрд. т.у.т. в 2005 г. свидетельствует о наличии серьезных опасений интенсификации отрицательных последствий "парникового эффекта".
По расчетам специалистов [3], предотвращение отрицательных последствий возможно только при снижении мировых выбросов диоксида углерода к 2005 г. на 20% и к 2050 г. в 1,5 раза.
Поэтому в настоящее время в нашей стране и за рубежом осуществляется интенсивный поиск путей уменьшения выброса С02 в атмосферу даже за счет значительного снижения (9-12%) эффективности энергоустановок.
Наиболее полно условиям сокращения вредных
Рис.1. Принципиальная схема энергоустановки:
1 - компрессор,
2 - камера сгорания, 3-газовая турбина,
4 -теплообменные поверхности,
5 -влагоотделитель,
6 - регенератор,
7-турбодетандер,
8-сепаратор,
9 - эл.генератор
Выход С02
выбросов в атмосферу соответствуют установки различных типов, создаваемые на базе газотурбинных агрегатов, использующие в качестве топлива природный газ. С учетом ограниченного выделения в энергетику природного газа, наиболее реальной областью применения газотурбинных агрегатов является область теплоэлектроснабжения как наиболее стабильного потребителя природного газа [4].
В этом случае для удаления С02 из дымовых газов может быть использован принцип напорной утилизации теплоты и дальнейшего глубокого охлаждения продуктов сгорания топлива [5]. Сущность работы таких энергоустановок заключается в поэтапном охлаждении продуктов Сгорания топлива, вырабатываемых газотурбогенератором при повышенном давлении и температуре, первоначально в теплообменных поверхностях нагрева (4) до температуры ниже точки росы, а затем в холодильных регенераторах (6) и турбодетандере (7) за счет срабатывания давления (рис.1).
При .этом обеспечивается использование высшей теплотворной способности топлива, отсутствие теплопотерь с уходящими газами, сокращение расходов топлива. Повышенное давление продуктов сгорания интенсифицирует процессы горения и теплообмена и приводит к уменьшению металло- и материалоемкости . Впрыск воды или пара в камеру сгорания, а также конденсация водяных паров при охлаждении продуктов сгорания способствуют очистке дымовых газов от токсичных веществ и сокращают их выброс в атмосферу. Следует отметить, что повышенное давление продуктов сгорания после газовой турбины (3) приводит к снижению вырабатываемой мощности энергоустановкой. Однако эти потери компенсируются увеличением теплопроизводительности , так как в связи с неполным расширением продуктов сгорания в газовой турбине их температура на входе втеплообменные поверхности нагрева (4) остается более высокой. Глубокое охлаждение продуктов сгорания топлива приводит к вымораживанию твердого диоксида углерода в объеме потока дымовых газов, что обеспечивает повышение экономической и экологической эффективности энергоустановок. При этом значительно упростится и
удешевится производство С02. Таким образом, в теплогенерирующих ГТУ с напорной утилизацией тепла значительно увеличивается производство теплоты, вырабатывается холод и снижается выработка электрической энергии. В связи с этим такие установки называются теплохладоэнергетическими агрегатами (ТХЭА). Полученный С02 рекомендуется использовать в первую очередь для хранения и транспортировки скоропортящихся грузов, а также в технологиях, обеспечивающих его связывание: в сельском хозяйстве (тепличные хозяйства, производство хлореллы), производстве пластмасс, добыче нефти [6]. Как было отмечено, введение напорной утилизации
теплоты снижает мощность газовой турбины, но при этом повышается тепловая мощность ТХЭА, поэтому целесообразно оценить термодинамическую эффективность ТХЭА при комплексном производстве теплоты, электроэнергии и холода или С02 в сравнении с раздельным [4].
Так как в ТХЭА вырабатывается различная энергетическая продукция (теплота, электроэнергия, холод и С02), было предложено основным методом термодинамического анализа считать эксергетический и в качестве критерия оценки эффективности работы агрегата выбрать эксергетический КПД, который для ТХЭА равен
_ Е „ + ЕХц + Ех„ + Е Хсо2
=---р-. (1)
А-' хт
где Е,, - эксергия электрической энергии; Е5с -эксергия тепловой энергии; Ехо- эксергия холода; Ехсо2 - эксергия диоксида углерода; Ехт - эксергия топлива.
При этом оценка экономической эффективности комплексного производства различных видов энергетической и технологической продукции в ТХЭА выполнялась в сравнении с раздельным производством теплоты, электроэнергии, холода и С02 в замещаемых установках по экономии условного топлива как основного составляющего элемента эксплуатационных затрат:
ПР тп ТХЭА
д П -Р у.Л! -Р ум
г~ Др ;
у .14
в:. = ьтдт+ь,м (2)
где Ьт, Ь3, Ьх - удельные (нормированные) затраты топлива на производство теплоты, электроэнергии и холода в замещаемых установках, кг/кВт.
В случае производства твердого диоксида углерода уравнение (2) примет вид
В'уг-ЬгЯ^Ъ, N + Ъ СО 1 СИ СО 2 ' (3)
где Ьсо2 - удельные (нормируемые) затраты топлива на производство С02, кг/кг.
Принципиальные схемы и теоретические циклы сравниваемых энергоустановок показаны на рис. 2. Результаты расчетов приведены в табл. 1.
В качестве исходной модели для расчетов выбран ГТД, вырабатывающий электрическую энергию. Его эксергетический КПД г|ех = 28%, что соответствует т|ех существующих ГТД. Энергетическая эффективность ГТД невысока вследствие больших потерь теплоты с уходящими газами, температура которых Т =664 К. Производство электроэнергии в этом случае менее эффективно, чем в тепловых электростанциях.
Известно, что утилизация теплоты уходящих газов при давлении, близком к атмосферному, экономически целесообразна до температурного уровня порядка 140 °С, что существенно повышает энергетическую
т-йЬ-У
V
N /
6. 3
Еж
9
N
-и -ф'
Г{£}
/
/
ТХЭА1
б
8
Л
Н-4
л
70
г
ю
у
ТХЭА2
Ы
/
V \
/
1 /
Ю
ч
//
г-/
/
/2
ТХЭАЗ
Рис. 2. Схемы и циклы энергоустановок: К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - газовая турбина; Г - электрогазогенератор; ТО - теплообменник; Д - детандер; Р - блок регенераторов; Ц - сепаратор С02
Таблица 1
Эффективность циклов энергоустановок в зависимости от температуры охлажденных продуктов сгорания
Параметры
Температура потока газов, °С
331 140 - 10 -70 -150
Температура газов за турбиной, К 664 667 829 833 833
Вырабатываемая мощность, кВт 196 193 52 38 24
Теплота, отведенная в теплоутилизаторе, кВт - 292 645 651 651
Эксергия пара, кВт - 112 306,3 310 310
Холодопроизводительность, кВт - - 24 40 -
Эксергия холода, кВт- - - 0,9 10,9 -
Выход диоксида углерода, кг/ч - - - - 59
Эксергия диоксида углерода, кВт - - - - 12,6
Эксергетический КПД, % 28 43 51 50,7 49
Экономия топлива, % -16 29 33 35 52
эффективность и экономию топлива по сравнению с раздельным производством энергии. Эксергетический КПД в этом случае г|ех = 43%, а экономия топлива ДВт =29%.
Следует отметить, что удорожание стоимости топлива приведет к снижению экономически целесообразной температуры уходящих газов и соответственно к повышению эффективности
энергоустановок. Этот цикл находит также широкое применение в парогазовых установках.
При сравнении энергоустановок выявлено, что максимальная энергетическая эффективность ТХЭА г|ех = 51% достигается при охлаждении продуктов сгорания топлива в детандере до -10°С (ТХЭА1). В этом случае используется не только полный температурный напор газового потока и теплота конденсации водяных
паров, но и вырабатывается холод. Экономия топлива повышается до 33 %.
Применение же регенерации холода (ТХЭА2) позволяет снизить температуру в холодильной камере до - 70 °С и ниже. Эксергетический КПД при этом практически не изменится, г|ех = 51%, но экономия топлива увеличивается до 35%.
Дальнейшее охлаждение потока газов до температуры кристаллизации С02, содержащегося в продуктах сгорания топлива, позволяет выморозить его из газового потока (ТХЭАЗ). При этом эксергетический КПД несколько снижается и составляет г|ек = 49%, а экономия топлива достигает 51%. Некоторое снижение эксергетического КПД происходит в связи с увеличением потерь по газовому тракту и уменьшением вырабатываемой мощности.
Выполненный анализ показывает, что комплексное производство электроэнергии, теплоты, холода и С02 позволяет значительно повысить эксергетический КПД и экономическую эффективность энергоустановок, которая в первую очередь обусловливается экономией топлива.
В качестве газотурбогенератора и турбодетандера энергоустановок могут быть использованы серийно выпускаемые газотурбинные двигатели (в том числе конверсируемые) и их элементы, что ускорит при минимальных затратах на доработку создание и ввод их в эксплуатацию.
В зависимости от типа и производительности серийных газотурбинных двигателей транспортного типа производительность энергоустановок составит:
-теплопроизводительностью-от4до 100 МВт;
- электроэнергии - от 0,1 до 3 МВт;
- С02 - от 0,4 до 8 т/ч.
Первая опытно-промышленная энергоустановка для комплексного производства электроэнергии, теплоты и твердого диоксида углерода на базе газовой турбины транспортного типа АО "Моторостроительный завод им. П.И. Баранова" была создана по разработкам Омского государственного технического университета (ОмГТУ) в АО "Сибкриотехника"[7]. По результатам испытаний энергоустановки экономия топлива при производстве теплоты и холода составила 16,8%, а при производстве теплоты и С02 - 36,1%. Кроме того, достигается значительный экологический эффект, связанный с уменьшением вредных выбросов в атмосферу, определяемых меньшим расходом топлива, снижением выбросов С02, возможностью подавления образования окислов азота и практически отсутствием выбросов теплоты и водяного пара. Все это обусловливает минимальность ущерба окружающей среды при работе энергоустановок, особенно при их комплексном межотраслевом использовании.
Достаточно широкий диапазон газотурбинных двигателей по типам и производительности может позволить в довольно короткие сроки создать и освоить теплохладоэнергетические агрегаты как для
централизованного, так и децентрализованного теплоснабжения сел, малых городов и отдельных промышленных предприятий вместо традиционных котельных. Серийное производство таких агрегатов целесообразно организовать на базе промышленных предприятий г. Омска. Следует отметить, что сооружение небольших газотурбинных ТЭЦ с использованием ТХЭА приведет к некоторой деконцентрации мощности источников тепла и будет способствовать повышению эффективности и надежности систем теплоснабжения.
Работы по созданию ГТД малой мощности для отопительно-вентиляционной техники проводятся и за рубежом ( США, Франция, Великобритания, ФРГ). В качестве базовых турбогенераторов применяют транспортные газовые турбины малой мощности. Теплопроизводительность таких агрегатов 3001200 кВт. Прогнозируется, что потребность в подобных установках будет исчисляться миллионами штук [8]. В качестве топлива для ГТУ используется жидкое и газообразное топливо. Проводятся разработки ГТУ с встроенными газификаторами каменного угля.
Опыт, накопленный ОмГТУ при разработке теории и проведении экспериментальных исследований ТХЭА, позволил в содружестве с ЗСО "ВНИПИЭнергопром", НПО ЦКТИ и АО "Сибкриотехника" осуществить технико-экономическое обоснование создания крупной энергоустановки на базе газовой турбины стационарного типа для Омскэнерго со следующими параметрами:
-тип базового газотурбинного двигателя - ГТН-16;
- установленная мощность: электрическая - 2 МВт, тепловая - 57 Гкал/ч; по производству диоксида углерода - 6 т/ч;
- годовой отпуск тепла -409 тыс. Гкал;
- годовая выработка электроэнергии -10,7 млн. кВт ч;
- годовое производство диоксида углерода - 40 тыс. т;
- годовой расход натурального топлива - 49 млн. м3;
- экономия топлива - 54 тыс. у. т. /год;
- сокращение валовых выбросов: оксида азота - на 157 т/год, водяного пара на 80 тыс. т/ч, а также диоксида углерода с соответствующим оздоровлением окружающей среды.
Результаты исследований использовались НПО ЦКТИ и ЗСО "ВНИПИЭнергопром" для разработки концепции создания экологически чистой электростанции, в частности парогазовых установок с внутрицикловой газификацией твердого топлива, предусматривающих напорную утилизацию теплоты с последующим отделением углекислоты из уходящих дымовых газов [9].
Выполненный анализ позволяет сделать следующие обобщающие выводы:
- внедрение газотурбинных энергоустановок для комплексного производства электроэнергии и теплоты вместо традиционных котельных агрегатов приведет к значительной экономии топлива и снижению вредных выбросов в атмосферу;
- производство газотурбинных энергоустановок может быть организовано на базе промышленных предприятий г. Омска;
- следует продолжить работу по созданию в г. Омске опытно-промышленной энергоустановки для комплексного производства теплоты, электроэнергии и твердого диоксида углерода;
- вышеуказанные предложения целесообразно обсудить при разработке новой "Схемы теплоснабжения г. Омска на период 2000 года и с перспективой развития до 2010 года".
ЛИТЕРАТУРА
1 Лебедев В.М., Калиновский И.Ю. Теплоэнергетика региона. Как ей развиваться ?// Коммерческие вести.-1997-№40-42.
2.Буренин Н.С., Горошко Б.Б., Николаев В.Д. Атмосферные выбросы, угроза в цифрах // Энергия: Экономика, технология, экология.-1990.-№3.-С. 38-41.
3. Impact of energy production// Energy Dig. -1989-Vol. 18, №5.-P36.
4. Использование ГТУ в системах централизованного теплоснабжения/ B.C. Варварский, В.И. Длуго-сельский, В.Б. Грибов и др. //Теплоэнергетика -1990 -№1,-С. 63-67.
б.ГриценкоВ.И. Основы теории и расчет теплохла-доэнергетических агрегатов. - Омск: Изд.ОмПИ,1994,-100с.
6. Пименова ТФ. Производство и применение сухого
льда, жидкого и газообразного диоксида углерода.-М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982.-208с.
7.Гриценко В.И. Опыт создания первого теплохладоэнергетического агрегата с газовой турбиной авиационного типа// Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. -М.,1982,- С.88-96.
8. F. Sisto. The Reversed Cycle Heat Pump - A. Natural Open Cuele for Application// Trans of the ASME, Journal of Engl., for Power.-1979 - №1.- P. 175-181.
9.Экологические и энергетические аспекты внедрения в энергетику ПГУ и ВЦГ третьего поколения/ E.H. Прутовский, B.C. Варварский, В.И. Гриценко и др. // Теплоэнергетика.-1992,- №11.- С. 18-22.
9 января 1998 г.
Гриценко Виталий Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой холодильных машин и установок Омского государственного технического университета.
УДК 621.004.18
МАТЕРИАЛОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КАЧЕСТВА В МАШИНОСТРОЕНИИ
Ю Н. Вивденко Омский государственный технический университет
С учетом наметившегося роста производства в машиностроении приведены основные направления экономии материалов и повышения конкурентоспособности изделий этой отрасли, показаны возможности научного обеспечения решаемых при этом проблем в регионе.
Официальные сообщения по итогам 1997 г. о первых признаках роста производства в целом по стране побуждают с учетом сложившейся ситуации оценить отдельные стороны перспектив развития одной из ведущих в недавнем прошлом отраслей в регионе -машиностроения. Видимо, не во многом потеряла актуальность и утратила содержание стратегия развития отечественных отраслей экономики, определенная в годы ее наибольшего подъема Академией наук СССР, в соответствии с которой именно средствами машиностроения и
электронизации можно достичь коренной модернизации отраслей народного хозяйства, осуществить глубокие структурные перемены в интересах народа, повернуть экономику к человеку [1] -
Проблема материалосбережения при производстве машин является одной из основных составляющих общей проблемы ресурсосбережения в машиностроении. Материалоемкость - одно из качеств, определяющих эксплуатационные характеристики, себестоимость и конкурентоспособность изделий.
