CC BY
79
необходимо продолжить моделирование на основе современных агентских платформ и специальных программных продуктов моделирования мульти-агентных интеллектуальных систем, что является целью дальнейших исследований автора.
Библиографический список
4. Рассел, С. Искусственный интеллект: современный подход / С. Рассел, П. Норвиг ; пер. с англ. — М. : Издательский дом Вильямс, 2006. — 1408 с.
5. Третьяков, Е. А. Управление качеством электрической энергии в распределительных сетях железных дорог : моногр. / Е. А. Третьяков. - Омск : ОмГУПС, 2013. - 196 с.
1. Оперативное управление в системах электроснабжения железных дорог : моногр. / В. П. Закарюкин [и др.] ; под ред. А. В. Крюкова. - Иркутск : ИрГУПС, 2012. - 129 с.
2. Электрические системы. В 7 т. Т. 2. Электрические сети : учеб. для электроэнергетических специальностей вузов / Под ред. В. А. Веникова. — М. : Высшая школа, 1971. — 440 с.
3. Weng B. Optimal signal reconstruction using the empirical mode decomposition // Euroasip Journal on Advances in Signal Processing, 2008, vol. 4, P. 12—18.
ТРЕТЬЯКОВ Евгений Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры подвижного состава электрических железных дорог. Адрес для переписки: [email protected], [email protected]
Статья поступила в редакцию 21.03.2015 г. © Е. А. Третьяков
УДК 621.184.64 И. А. ЯНВАРЕВ
В. Ю. ГРОХОТОВ М. В. ГРОХОТОВА
Омский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОЭТАПНОГО ТЕПЛООБМЕНА_
Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации теплоэнергетических установок является важным и актуальным. На промышленных предприятиях, использующих газотурбинные технологии, применение теплообменников-утилизаторов (ТУ) для внутреннего и внешнего теплоиспользования позволит добиться существенной экономии топливного природного газа. Комплексное решение возникающих при этом проблем может быть достигнуто на пути применения поэтапного процесса теплообмена.
Ключевые слова: теплоэнергетическая установка, теплообменник-утилизатор, поэтапный теплообмен, экономия топлива и электроэнергии.
Совершенство преобразования энергии, затраты материальных и топливных ресурсов для самого широкого спектра теплоэнергетических установок в значительной степени определяются эффективностью процессов теплообмена в газотурбинных и парогазовых технологиях, в различных энерго- и компрессорных установках, реализующих многоступенчатое компремирование и охлаждение газов [1 -3].
Применение в рамках этих технологий утилизационного теплообменного оборудования позволяет использовать на промышленных предприятиях теряемую в обычной ситуации энергию уходящих газов, экономить топливо, необходимое для теплоснабжения, снизить себестоимость тепловой энергии [4 -6]. В частности, теплообменники-утилизаторы (ТУ) — наиболее простой и достаточно дешевый способ для
теплоснабжения компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов и прилегающих к ним поселков в осенне-зимний период.
В свою очередь, повышение эффективности теплообменников-утилизаторов связано с созданием новых эффективных технологических процессов поэтапного теплообмена, наиболее полно и комплексно использующих сырье и энергетические ресурсы.
В общем случае теплоэнергетические установки можно представить как совокупность элементов, основными из которых (влияющими на эффективность преобразования энергии) являются элементы для изменения давления (ступени сжатия, расширения) и элементы для изменения температуры (теплооб-менные системы и аппараты) в соответствующих
Те (Ток)
Те
Те (Тон) 1 1>11 4' т с
Те (Т0К1) РТЗ
1 1
Те (Токз) 1 1
! ! В2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Я
б
Я
Рис. 1. Собственные потери эксергии от необратимости вследствие конечной разности температур для одноэтапного (а) и двухэтапного (б) процесса теплообмена при противоточной схеме и А<1
комбинациях. Эти элементы должны обеспечивать требуемое преобразование энергии (эксергии) в соответствии с функциональным назначением установок.
С учетом современных требований по энергосбережению и экологии решение задач повышения эффективности теплоэнергетической установки в целом во многом определяется рациональным планированием теплообменных процессов и, в частности, процессов утилизации теплоты, что является важным и актуальным в настоящее время.
Обеспечение заданного уровня прироста эксер-гетического к.п.д. установки в рамках осуществления одноэтапного процесса теплообмена между потоками рабочих и вспомогательных сред сопряжено со значительными трудностями. В частности, повышение температурного уровня утилизирующего потока ТВК может привести к дополнительным потерям по тракту движения утилизируемой среды (потери давления уходящих газов, снижение глубины охлаждения сжатого газа при утилизации теплоты сжатия), и следовательно, к дополнительным затратам. Повышение эффективности подогрева воспринимающей теплоту среды предполагает использование теплообменника как подогревателя, т.е. изменение значения отношения тепловых эквивалентов в сторону его увеличения (А >1), тогда как для газоохладителей рекомендуется А< 1.
Кроме того, значительно сужены по указанным выше причинам возможности регулирования, адаптации действующего ТУ к изменяющимся условиям эксплуатации, рационального использования естественного холода окружающей среды, а также снижения потерь эксергии от необратимости при теплообмене вследствие конечной разности температур.
Комплексное решение отмеченных проблем может быть достигнуто на пути применения поэтапного процесса теплообмена.
Реализация поэтапного процесса теплообмена между основным потоком и рядом вспомогательных сред существенно расширяет, а во многих случаях и определяет возможность повышения его эффективности. Данная организация теплообмена предполагает более рациональное использование температурных напоров сред, позволяет учесть требования по энергосбережению, например, за счет утилизации теплоты уходящих газов, требования снижения водопотребления, а также обеспечить гибкость при регулировании и устойчивость систем при изменении условий эксплуатации.
Оценим теоретически возможность повышения эффективности процесса теплообмена в последнем случае с точки зрения потерь эксергии. Так, для по-
терь эксергии от необратимости при теплообмене вследствие конечной разности температур, согласно [7], можно записать
Б
= Х 8 Ч ■ Ат е
(1)
где 84 -
Ат е=т0 -тВ
=БС!+Бт2
элемент теплоты, передаваемый на участке; разность эксергетических температур элементарного участка для «О» — отдающей и «В» — воспринимающей теплообменивающихся сред; те =1-Т0 с /Т — эксергетическая температурная функция; То с, Т — температура окружающей среды и текущая температура теплоносителя.
Тогда, например, для противоточной схемы при отношении тепловых эквивалентов А=С0с0 /СВсВ <1 и бесконечно большом коэффициенте теплопередачи к®¥ собственные потери эксергии БС от необратимости одноэтапного процесса теплообмена, реализующего охлаждение потока отдающей среды от Т0Н до Т0К могут быть определены как площадь фигуры, ограниченной линиями 1-2 и 2-3, отмеченными на Ч ,т е — диаграмме (рис. 1а). В свою очередь, осуществление последовательного, поэтапного охлаждения отдающей среды первоначально до температуры Т0К 1 — линии 1-4 и 4-6, а затем до Т0К 2 = = Т0К — линии 4-2 и 2-5 определяет возможность ощутимого снижения суммарных потерь БС ъ = С 1 "С (рис. 1 б).
Собственные и технические потери БТ связаны в том числе с составом и последовательностью имеющихся охлаждающих сред, что обуславливает необходимость исследования различных вариантов организации поэтапного процесса теплообмена, взаимовлияния процессов в отдельных секциях.
С другой стороны, с учетом вышесказанного снижение потерь эксергии, например, для процессов многоступенчатого сжатия и охлаждения в компрессорной установке (КУ) возможно за счет использования в технологических, отопительных и иных целях той части работы, которая затрачивается на повышение температурной составляющей эксергии ЕТ ком-премируемого газа [7]. При этом для одноэтапного охлаждения сжатого газа достижение требуемого температурного уровня утилизирующего потока сопровождается пропорциональным ростом температуры охлаждаемой среды Т0К на выходе из теплообменника (линии 1-2' и 2'-3', рис. 1 а), что приводит к дополнительным затратам мощности при сжатии в последующей ступени компрессора.
Осуществление предварительного охлаждения сжатого газа утилизирующей теплоту средой с последующим его доохлаждением на втором этапе (линии 1-4' и 4'-2, рис. 1 б) позволит обеспечить предъ-
а
^—,
им П П г
-о-
Рис. 2. Схемы установок с отдельными МГОУ (а) и МТУ (б) с взаимосвязанными промежуточными и концевыми МГОУ (в)
являемые к потокам требования и избежать необоснованных потерь. При этом в качестве определяющих для потерь 0Т дополнительно можно выделить весовые доли каждого этапа, тип утилизационного потока, способы и режимы поддержания их температурных уровней и следовательно соответствующие законы изменения характеристик сред на каждом этапе в течение эксплуатации. Решение данных вопросов является в общем случае оптимизационным, где в качестве критерия можно воспользоваться эк-сергетическим к.п. д. установки ле.
(2)
Ле (П) = £Еку (П)Ат,/I XNКУ (П).дт
где П — параметры оптимизации; Е к
N к
где Тон , ТоК , ТВН , ТВК — начальные и конечные температуры отдающей и воспринимающей тепло сред; С — массовый расход; с — теплоемкость.
Соотношение между полными теплоемкостями массовых расходов теплоносителей А=Сосо/Свсв устанавливают в зависимости от функционального назначения аппарата. Для охладителей требуется получить максимально возможную глубину охлаждения отдающего тепло потока, поэтому А<1 (Сс) шт = =СОсО и, следовательно:
Т -Т
Л^Т =фУТ = он ок
1
Т -Т Т -Т А
1 он 1 вн 1 он 1 вн ^
(4)
эксергетическая производительность и потребляемая мощность КУ для г-го температурного уровня; Ат ( — продолжительность работы КУ при г-м температурном уровне; Т — число температурных уровней в году, на которые разбивается весь диапазон изменения температуры окружающей среды.
Практическая же реализация эффективной совокупности процессов поэтапного теплообмена между потоками многоступенчатой компрессорной установки может быть осуществлена в виде неоднородной в общем случае теплообменной системы (ТС) при помощи многосекционных газоохладителей утилизаторов (МГОУ), а для теплоэнергетической установки в виде теплообменной системы при помощи многосекционных теплообменников утилизаторов (МТУ), отраженных на рис. 2.
Тепловая эффективность (тепловой к.п. д.) теплообменника утилизатора (в общем случае утилизационной теплообменной системы) цУТ выражает соотношение между фактическим переданным количеством теплоты Оо =ОВ и тем максимально возможным количеством теплоты ОМАХ, которое может быть передано в идеальном теплообменнике, т.е. в теплообменнике с идеальной схемой тока (противоток) и в случае бесконечно большого значения коэффициента теплопередачи к, или бесконечно большой поверхностью теплообмена Г.
Для нагревателей требуется как можно больше нагреть воспринимающий теплоту поток, поэтому А>1 (Сс)MIN =СВсВ и, следовательно:
Л
= р УТ =-
Т — Т
Т — Т
_ он 1 ок А
(5)
При утилизации теплота ВЭР возвращается в (Сс)мт =СОсОтеплоэнергетическую установку (с потоком сырья, воздуха, направляемого в систему вентиляции или на сжигание топлива), или направляется к внешним потребителям (с водой для горячего водоснабжения), а оставшаяся часть теплоты выбрасывается вместе с потоком теплоносителя в окружающую среду и представляет собой потери энергии (рис. 3).
В этом случае для получения полезного эффекта (продукта, энергии) затрачивается меньшее количество топлива, поскольку часть теплоты уходящих газов (УГ) используется для подогрева сырья, топлива, воздуха, направляемого на горение, подпиточ-ной воды и т.д.
В результате, если предполагается только регенеративное (внутреннее) теплоиспользование, изменя-
ТЭУ "
ется к.п.д. установки л , равный отношению полезно использованной теплоты ОПОЛЗ к подведенной теплоте ополв :
^тэу = °полз 'подв
О П
О
оН В-Оуг-ЛУТ
О П
Ом
О р. В-(Сс )уг (То
:) • Л
(6)
СВ сВ (ТВК ТВН )
(Сс) мт (Тон - 'Твн ) (Сс) мт (Тон-
где ОН — низшая теплота сгорания топлива; В — расход топлива на работу установки без регенера-
б
а
в
Т -Т
вк вн
(=1
г=1
Т -Т
он вн
Т -Т
он вн
Оо =ОВ Го ко АТо
УТ
Л
(Сс)мж • АТМАХ
Сосо (Тон Ток )
Твн )
Рис. 3. Схема определения тепловой эффективности утилизатора: 1 — теплоэнергетическая установка; 2 — утилизатор; 3 — внешние потребители
тивного использования теплоты, — количество теплоты уходящих газов.
Количество возвращенной в установку теплоты определяется эффективностью утилизационного теплообменника .
При — ^ =1 уходящие газы охлаждаются до температуры окружающей среды и полностью отдают свою теплоту обратно в установку.
Выражение (6) определяет зависимость теплового
^ ТЭУ
к.п.д. теплоэнергетической установки — У от характеристик обычного утилизатора, в котором не происходит конденсации паров, содержащихся в отходящих газах, при этом тепловую эффективность рекуперативного теплообменника можно определить следующим образом [2, 7]:
— для прямоточного ТА, реализующего теплообмен двух сред,
ут уГ 1-ехр[-5 ■(!+А)]
— = Р =-
1 1+А '
(7)
где 5=кР/Сс — число единиц переноса тепла;
— для противоточного ТА, реализующего теплообмен двух сред,
— ут = р ут
1-ехр[-5-(1- А)] "1-А-ехр[-5■(!-А)] ;
(8)
— для ТА, реализующего теплообмен двух сред с произвольной схемой,
г+(А+1)
г
(9)
2 ехр( 5г )-1 ] '
где г = V ( А + 1)2 - 4 рА; р — индекс противоточ-ности.
— для ТА в виде МГОУ или МТУ, реализующих поэтапный теплообмен трех и более сред с произвольной схемой их взаимодействия,
■=я
где Т
ВНг = т!п{Т В
(Т0Н ТВН } ) 1 V (Т0Н - ТВН г )
}; У0 =Л(р
V
) N ,
(10)
Библиографический список
1. Цанев, С. В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С. В. Цанев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов ; под ред. С. В. Цанева. - М. : МЭИ, 2002. - 581 с.
2. Парфенов, В. П. Оценка тепловой эффективности тепло-обменного оборудования при комбинированном охлаждении сжатых газов в компрессорных установках / В. П. Парфенов, И. А. Январев // Известия вузов. Машиностроение. — 1998. — № 1—3. — С. 62 — 67.
3. Январев, И. А. Особенности регулирования температурных режимов установок воздушного охлаждения газа для различных условий сезонной эксплуатации / И. А. Январев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2012. — № 3 (113). — С. 217—219.
4. Утилизационные теплообменники приводов нагнетателей и электрогенераторов / В. В. Виноградов [и др.] // Газотурбинные технологии. — 2006. — № 5. — С. 30 — 33.
5. Пат. 2031346 РФ, МКИ 6 Р28 В 9/00. Пакет пластинчатого теплообменника / Парфенов В. П., Январев И. А., Белокрылов И. В., Мильштейн П. А., Мышенко В. А. — № 4820033/06 ; заявитель и патентообладатель Ом. гос. техн. ун-т ; заявл. 02.03.90 ; опубл. 20.03.95, Бюл. — № 8. — 18 с.
6. Январев, И. А. Пути повышения энергоэффективности работы теплообменного оборудования газокомпрессорных станций / И. А. Январев, В. Ю. Грохотов, К. Ю. Семенок, М. В. Сафонова // Россия молодая: передовые технологии в промышленность! : материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием : в 3 кн. Кн. 2. — Омск : ОмГТУ, 2013. — С. 362 — 364.
7. Парфенов, В. П. Теория и практика повышения эффективности процессов теплообмена для многосекционных газоохладителей компрессорных установок // В. П. Парфенов, И. А. Январев : докл. 4-го Минского междунар. форума по тепломассообмену ММФ-2000.Тепломассообмен в энергетических устройствах. — Минск, 2000. — Т. 10. — С. 170—179.
р0
' ° 1Ч-1 N ' ¡я < ^ N ,
функция тепловой эффективности ТС одной из элементарных (перекрестная схема, с общим луппингом, с общим рециклом, с общим обращением основного потока) или произвольной схемы, приведенная к ¡-му элементу схемы; Л — алгоритмический оператор, определяющий порядок расчета произвольной ТС в соответствии с правилами следования и вложения.
ЯНВАРЕВ Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: [email protected]
ГРОХОТОВ Валерий Юрьевич, студент гр. БЭ-312
энергетического института.
Адрес для переписки: [email protected]
ГРОХОТОВА Марина Владимировна, студентка
гр. БЭ-312 энергетического института.
Адрес для переписки : [email protected]
Статья поступила в редакцию 16.02.2015 г. © И. А. Январев, В. Ю. Грохотов, М. В. Грохотова
0
Ц
