CC BY
296
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.311.25
А.И. Баженов, Е.В. Михеева
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ГПУ И АБСОРБЦИОННЫХ ЧИЛЛЕРОВ В ПЕРИОДЫ СНИЖЕНИЯ ХОЛОДОПОТРЕБЛЕНИЯ
Авторами предлагается технология и методические подходы решения проблемы негативного влияния на электрическую мощность ГПУ высокой температуры воздуха в периоды работы газопоршневой ТЭЦ в режиме тригенерации.
Газопоршневая ТЭЦ, электрическая мощность, абсорбционный чиллер, температура воздуха
A.I. Bagenov, E.V. Mikheeva
EFFICIENCY IMPROVEMENT OF THE TANDEM OPERATION BETWEEN THE GAS-PISTON UNIT AND ABSORPTION CHILLERS WHEN REDUCING THE DEMAND FOR THE COOLING OUTPUT
The authors suggest a technology and methods for solving the problem with the negarive effect of high-temperature air on the electric power output of a gas-piston unit when the CHP station operates in the tri-generation mode.
Gas-piston unit, electric power output, absorption chiller, air temperature
Возрастающая роль газопоршневых установок (ГПУ) в электроснабжении предприятий и жилищно-коммунального сектора в значительной мере определяется высоким значением КПД по производству электроэнергии, позволяющим окупать достаточно значительные первичные капитальные вложения. Дополнительная эффективность ГПУ достигается за счет выработки, наряду с электрической энергией, тепла и холода.
Энергетическая эффективность ГПУ достаточно сильно зависит от температуры воздуха, поступающего в установку. С ростом температуры воздуха происходит снижение КПД, максимальной мощности и экономической эффективности ГПУ в целом. Вместе с тем, в случае применения абсорбционных холодильных машин (АБХМ), работающих за счёт утилизации сбрасываемой газопоршневыми агрегатами теплоты, для снабжения холодом систем кондиционирования, разуплотнённый, как правило, график холодопотребления, приводит к значительному недоиспользованию АБХМ и соответствующей низкой окупаемости капиталоёмкого оборудования абсорбционных чиллеров.
В связи с вышеизложенным, предлагается более полно использовать установленную мощность АБХМ и увеличить производство холода на базе утилизируемой отходящей теплоты ГПУ, а дополнительно полученный холод направить на улучшение характеристик ГПУ. Данная задача может быть решена при использовании установки комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода [1], схема которой представлена на рис. 1.
В период неполной загрузки абсорбционного чиллера (15) охлажденная вода направляется в воздухо-водяной теплообменник (4) для предварительного охлаждения воздуха, забираемого из помещения машинного зала (20). В результате снижаются потери электрической мощности установки за счет понижения температуры газообразного рабочего тела теплового двигателя перед его сжатием.
Рис. 1. Схема ГПУ при комбинированном производстве электроэнергии, тепла и холода 1 - газопоршневой агрегат; 2 - электрогенератор; 3 - компрессор; 4 - охладитель воздуха; 5 - камера смешения; 6 - воздушный фильтр; 7 - охладитель надувочного воздуха; 8 - контур охлаждения ДВС; 9 - теплообменник рубашки охлаждения ДВС; 10 - охладитель масла; 11 - утилизатор теплоты выхлопных газов; 12- котельный агрегат; 13 - сетевой подогреватель; 14 - потребители тепла; 15 - АБХМ; 16 - потребители холода; 17 - градирня АБХМ; 18, 19 - аппараты воздушного охлаждения; 20 - помещение ГПУ
Влияние температуры воздуха на работу газопоршневой установки (рис. 2) оценено на примере ГПУ с турбонаддувом на основе известных расчётных зависимостей [2].
При этом выходная электрическая мощность, приведенная к стандартным условиям, определяется по формуле:
Ых = а- N (1)
где Nг - мощность при стандартных исходных условиях, кВт; а - коэффициент приведения мощности, определяемый по формуле
(
а = к - 0.7(1 - к)
1
Л
-1
V т J
л„
(2)
где Т]т - механический КПД; к - коэффициент индикаторной мощности, определяемой по формуле
к =
Рх -а'УХ • Р,
т ( т Л г п (т Л сг
. т . т ,
(3)
. Рг -а'фг • Р,
где рх - полное атмосферное давление при местных условиях, кПа; рг - стандартное исходное полное атмосферное давление, кПа; (рх - относительная влажность воздуха машинного зала при местных условиях; рг - стандартная исходная относительная влажность воздуха машинного зала; рх - давление насыщения водяного пара при местных условиях, кПа; р,г- давление насыщения водяного пара при стандартных условиях, кПа; Тг - стандартная исходная абсолютная температура воздуха машинного зала, К; Тх - абсолютная температура воздуха машинного зала при местных условиях, К; Тсг - стандартная исходная абсолютная температура охлаждающей жидкости на входе в охладитель наддувочного воз-110
5
духа, К; Tcx - температура охлаждающей жидкости на входе в охладитель наддувочного воздуха при местных условиях, К; т, п, 8 - эмпирические показатели степени.
Температура воздуха перед фильтром, °С
Рис. 2. График зависимости относительной электрической мощности ГПУ от температуры воздуха перед фильтром: 1 - температура жидкости в охладителе наддувочного воздуха превышает номинальное
значениеTсх >Tсr; 2 - температура жидкости в охладителе наддувочного воздуха имеет номинальное значенииTсх =Tсr.
Как видно из рис. 2, снижение полезной мощности происходит при увеличении температуры воздухом выше 25 °С. В интервале температур 25^40оС мощность снижается линейно (примерно 0,2% на 1 °С). При температуре около 40 °С (частный случай для конкретного набора вспомогательного оборудования) происходит излом графика и в интервале температур 40^50 °С скорость снижения мощности составляет уже около 0,5% на градус (линия 1). Это объясняется невозможностью поддержания температуры жидкости в охладителе надувочного воздуха в пределах номинального значения из-за высоких значений температуры окружающего воздуха.
Для экономической оценки эффективности схемы, представленной на рис. 1, обеспечивающей снижение негативного влияния повышенной температуры воздуха на мощность ГПУ за счёт охлаждения воздуха до номинальной температуры с использованием свободной холодильной мощности АБХМ (15) рассмотрена трёхцелевая ТЭЦ с двумя ГПУ электрической мощностью по 2056 кВт (технические характеристики представлены в табл. 1) и тремя холодильных машин АБХМ-В-10 холодильной мощностью по 660 кВт.
Таблица 1
Технические данные ГПУ с турбонаддвувом
Параметры ГПУ на номинальном режиме
Мощность кВт 2056
Скорость вращения об/мин 1500
Среднее эффективное давление бар 18,6
Температура выхлопных газов °С 424
Количество воздуха для сгорания топлива кг/ч 10402
Температура приточного воздуха мин./оптим. °С 20/25
Мощность теплоотдачи рубашки охлаждения кВт 978
Мощность теплоотдачи охладителя надувочного воздуха кВт 172
Мощность теплоотдачи выхлопа кВт 1005
Электрический КПД % 43,7
Коэффициент использования теплоты топлива для отпуска тепловой энергии % 43,3
Общий коэффициент использования теплоты топлива % 87,0
Расход жидкости в рубашке охлаждения мин./макс. м3/ч 60/85
Расход охлаждающей жидкости в охладителе наддувочного воздуха м3/ч 40
Температура жидкости в рубашке охлаждения вход/выход макс. °С 80/93
Температура жидкости в охладителе наддувочного воздуха °С 38/41,8
Кроме того, в соответствии с положениями [3], был проведен расчет годового расхода холода системой кондиционирования воздуха для климатических условий Саратова, и определена недоиспользованная энергия холода, которая может быть направлена для охлаждения воздуха перед ГПУ. Ее величина составляет примерно 35% от максимально возможной выработки чиллеров АБХМ в пе-
риод работы систем кондиционирования воздуха. Эффективность использования этого холода для охлаждения воздуха перед ГПУ в зависимости от величины снижения температуры воздуха Ао до стандартной температуры (25 °С) показан на рис. 3. 3,5
чО
^ 3 2,5 2
% 1,5
0,5 0
6
8
9
11
12
13
14
15
10 А^, °С
Рис. 3. Уменьшение потерь электрической мощности ГПУ за счет охлаждения воздуха перед ГПУ в зависимости от Ао .
а
При этом относительная холодильная мощность АБХМ ^ГТУ , затраченная на охлаждение воздуха перед ГПУ, равная отношению части холодильной мощности АБХМ ()х, затрачиваемой на охлаждение воздуха, подаваемого в ГПУ, к установленной электрической мощности ГПУ NГТУ , в зависимости от Ао показана на рис. 4.
Рис. 4. График зависимости относительной холодильной мощности, затраченной на охлаждение воздуха перед ГПУ от Ао .
Количество дополнительной электрической энергии, полученной от ГПУ в результате охлаждения воздуха перед газопоршневой установкой, оценивается по следующей формуле:
Э =т• ^-Nв -
&
а
(N„1 - Nн2 - Nгp)]
(4)
где т - продолжительность работы системы кондиционирования воздуха в год, для г. Саратова Т = 1986часов, АN - сокращение потерь электрической мощности ГПУ, полученной в результате охлаждения воздуха перед ГПУ, кВт, Nв - мощность двигателей общеобменной вентиляции газопоршневой ТЭЦ, расходуемая на преодоление сопротивления охладителя воздуха, кВт; Qxном -номинальная холодильная мощности АБХМ, кВт; Мн1 - мощность двигателя циркуляционного насоса, расходуемая на преодоление гидравлического сопротивления системы транспорта и потребления холода, кВт; N н 2 - мощность двигателей циркуляционного насоса, расходуемая на преодоление гидравлического сопротивления контура градирни АБХМ, кВт; Nгр - мощность вентилятора градирни АБХМ, кВт.
Оценка эффективности охлаждения воздуха перед ГПУ проводилась по интегральному эффекту (Эи) и сроку окупаемости [4].
Э = I (Дл - З, )а - Зк
1=0 (5)
где Д А- результаты, достигаемые в 1-й год; З( - ежегодные затраты в 1-й год; Зк - капитальные затраты; Т - расчетный период; - коэффициент дисконтирования:
1
а =
(1+Е )1 (6)
где Е - норма дисконта, принята 0,2; ^ - шаг расчета.
Размер денежных средств, которые пришлось бы затратить на покупку такого же количества электроэнергии у генерирующей компании составит:
Дг = Сэ ' Эг (7)
где Сэ - стоимость 1 кВтч электрической энергии, руб./кВт-ч. Капитальные затраты на проведение мероприятия:
Зк = ^ВО' ЦВО + Мвент Цвент+ Зм + Цп (8)
где ГВО - площадь поверхности теплообмена воздухоохладителя; ЦВО - удельная стоимость воздухоохладителя; Nеент - номинальная мощность вентилятора; Цеент - удельная стоимость вентилятора; Зм - затраты на монтаж оборудования; Цп - стоимость проектных работ.
На рис. 5 приведены результаты расчетов интегрального эффекта Эи, отнесенного на установленную мощность ГПУ. При выполнении расчетов были приняты следующие исходные данные: ЦВО
= 0,59 тыс. руб./м2, Цвент = 4 тыс. руб./кВт, затраты на монтаж оборудования Зм приняты в размере 30% от стоимости устанавливаемого оборудования, стоимость проектных работ Цп принята в размере 15% от капитальных затрат, стоимость электрической энергии Сэ = 2,5... 5,5 руб./кВт-ч.
Денежные средства, вложенные в мероприятия по снижению потерь электрической мощности ГПУ, окупятся в течение двух месяцев эксплуатации установленного оборудования в зависимости от стоимости электрической энергии Сэ и величины снижения температуры воздуха Ао до стандартной температуры.
Выводы
На электрическую мощность ГПУ значительное влияние оказывает температура воздуха, подаваемая в установку. При увеличении температуры воздуха выше 25 °С происходит снижение электрической мощности ГПУ. В интервале температур 25^40°С мощность снижается на 0,2% на 1 °С, в интервале температур 40^50 °С скорость снижения мощности составляет уже около 0,5% на 1 °С.
Использование по предложенной схеме части холодильной мощности АБХМ, недоиспользованной в системе кондиционирования потребителей, для охлаждения воздуха перед подачей в ГПУ на 6-15 °С позволяет снизить потери электрической мощности ГПУ на 1-3%.
Рис. 5. Интегральный эффект Эи в зависимости от и стоимости электрической энергии: 1 - Сэ =2,5 руб./кВтч, 2 - Сэ =5,5 руб./кВтч
Затраты на реализацию мероприятий по сокращению потерь электрической мощности ГПУ окупаются в течение первых двух месяцев эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Способ комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода: пат. 2399781 Рос. Федерация.: МПК F02G5/00, F25В29/00, F25В15/00 / А.И. Баженов, Е В. Михеева, Ю.М. Хлебалин; опубл. 20.10.2010.
2. ГОСТ Р 52517-2005 (ИСО 3046-1:2002) Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Характеристики. Ч. 1. Стандартные исходные условия, объявление мощности, расхода топлива и смазочного масла. Методы испытания. Введ. 01.01.2007. М.: Стандартинформ, 2006. 35 с.
3. Пособие 9.91 к СНиП 2.04.05-91. Годовой расход энергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования. М.: Промстройпроект, 1993.
4. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. (Вторая редакция, исправленная и дополненная). Утв. Минэкономики РФ, Минфином РФ и Госстроем РФ от 21 июня 1999 г. № ВК 477.
Баженов Александр Иванович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Михеева Елена Владимировна -
аспирант Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksander I. Bagenov -
Ph. D., Associate Professor
Department of Heat Power Engineering
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Elena V. Mikheeva -
Postgraduate
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 17.10.13, принята к опубликованию 15.12.13
