CC BY
28
УДК 621.57
А.Н. Радченко, А.В. Коновалов, Н.И. Радченко, А.В. Остапенко, А.С. Манилов
Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, Украина
СОГЛАСОВАНИЕ РАБОТЫ АБСОРБЦИОННОГО
ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА С КОГЕНЕРАЦИОННЫМ ГАЗОПОРШНЕВЫМ МОДУЛЕМ УСТАНОВКИ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
Выполнен анализ эффективности трансформации теплоты когенерационного модуля на базе газопоршневого двигателя в холод термотрансформатором абсорбционного типа. Выявлено наличие значительных потерь теплоты из-за несоответствия температурных условий эффективной работы термотрансформатора и когенерационного модуля. Предложено рециркуляционный контур обратного теплоносителя с бустерным газовым котлом для повышения температуры теплоносителя перед термотрансформатором.
Ключевые слова: газопоршневой двигатель, когенерационный модуль, абсорбционный термотрансформатор, тригенерация, теплоноситель.
1. Анализ проблемы и постановка цели исследования
Установки автономного энергообеспечения на базе газопоршневых двигателей (ГПД), использующие природный газ и альтернативные топлива [1—3], находят все более широкое применение. Ведущие двигателестроительные фирмы выпускают когенерационные модули — со штатными теплообменниками для получения горячей воды (водяного пара) за счет использования сбросной теплоты ГПД [1, 2]. Хотя когенераци-онные модули легко интегрируются в системы тепло- и хладоснабжения конкретных объектов, однако анализ энергетической эффективности таких тригенерационных систем показывает наличие потерь теплоты и обусловленной ими недовыработки холода из-за несоответствия температурных условий эффективной работы термотрансформатора, чаще всего на базе абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ), и когенерационного модуля.
Так, из условия поддержания теплового состояния ГПД, обеспечивающего его надежную эксплуатацию, температура обратной (охлажденной) воды, поступающей в когенерационную систему ГПД от АБХМ, ограничивается ее спе-цификационным значением /обр сп = 70 °С. При его превышении избыток теплоты сбрасывается в атмосферу, а при меньшей температуре обратной воды /^р к ней подмешивается часть горячей воды, которая выходит из когенерационного модуля.
Цель исследования — повышение эффективности трансформации теплоты ГПД в холод согласованием температурных режимов работы АБХМ с когенерационным модулем.
2. Изложение основного материала
Решение задачи повышения эффективности трансформации теплоты ГПД в холод рассматривалось на примере установки автономного электро, тепло- и холодообеспечения завода ООО «Сандора»—«Рер81со Ukraine» (Николаевская обл.). Проектирование и монтаж установки выполнены ЧНПП «СИНАПС»—«GE Energy» (г. Киев) и ООО «Хладотехника» (г. Николаев). Тригенерационная установка включает два когенерационных ГПД JMS 420 GS-N.LC GE Jenbacher (электрическая мощность одного ГПД 1400 кВт, тепловая мощность 1500 кВт), в котором теплота выпускных газов, наддувочной газовоздушной смеси (ГВС), охлаждающей рубашку двигателя воды и смазочного масла используется для нагрева воды. Теплота горячей воды трансформируется в АБХМ AR-D500L2 Century в холод (холодильная мощность 2000 кВт), который расходуется на технологические нужды и для работы центральных кондиционеров, охлаждающих воздух в машинном отделении (МО), из которого он поступает на всасывание турбокомпрессора (ТК) ГПД (рис. 1).
В соответствии со схемой на рис. 1 при температуре обратной (охлажденной) воды на выходе из АБХМ, например /обр = 75...80 °С, т.е. выше ее спецификационного значения /обр сп = 70 °С на входе в теплообменники ГПД, обеспечивающего оптимальное тепловое состояние ГПД, часть обратной воды охлаждается в охладителе обратного теплоносителя (ОТН) с отводом избыточной теплоты в атмосферу градирней 4. Возврат избыточной теплоты в АБХМ невозможен из-за ее пониженного температурного уровня, /обр = 75.80 °С,
© А.Н. Радченко, А.В. Коновалов, Н.И. Радченко, А.В. Остапенко, А.С. Манилов , 2012
Воздух в
Градирня 2
Система технологического хладоснабжения
Рис. 1. Схема существующей системы трансформации теплоты когенерационного ГПД в холод в АБХМ: ОМ — охладитель масла; ОР — охладитель рубашки двигателя; ОНСнт и ОНСвт — низкотемпературная и высокотемпературная ступени охладителя наддувочной ГВС; УК — утилизационный котел; ОТН — охладитель обратного теплоносителя; Ф — фильтр на всасывании турбокомпресора; Н — насос
относительно спецификационной температуры горячего теплоносителя на входе АБХМ: гг сп = 90...95 °С. Понижение же температуры горячего теплоносителя на входе АБХМ вызывает ухудшение эффективности трансформации тепла в холод — снижение теплового коэффициента С, представляющего собой отношение полученного холода к затратам тепла.
На рис. 2 приведены значения температуры горячей воды ^1, поступающей из когенерационного модуля ГПД в АБХМ, обратной воды после АБХМ ^ (перед охладителем ОНТ сброса избытка тепла в градирню) и охлажденной обратной воды после ОНТ на входе в ГПД, ^5 •
Эти данные получены в ходе автоматизированного мониторинга параметров тригенераци-онной установки (июль 2011).
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
г °С
0:00
6:00
12:00
18:00
т, ч 0:00
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
г ут4. °С
0:00
6:00
12:00
18:00
т, ч 0:00
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
г ут5. °С
0:00
6:00
12:00
18:00
т. ч 0:00
Рис. 2. Температуры горячей воды ^ на входе АБХМ (я), обратной воды после АБХМ (б) и охлажденной обратной воды на входе в ГПД г^е)
в
а
Рассчитанные по ним разности температур обратной воды в охладителе ОНТ, ^4— при-горячей и охлажденной в АБХМ воды, — ^4, и ведены на рис. 3.
25
г «а-/ «4 °с
0
;
;
; /1
1 ч
-—-Ч~1П 1 1 1 ..... .....
0:00 6:00 12:00 18:00
т, ч
0:00
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
г «4-г «б.°с
И
0:00 6:00
т, ч
12:00 18:00 0:00
Рис.3. Разности температур горячей и охлажденной в АБХМ воды г^— ^4 (я) и обратной воды в охладителе ОНТ
а
Указанные данные использованы для оценки объемов избыточной теплоты, сбрасываемой в атмосферу, и обоснования целесообразности технических решений по ее возврату в цикл трансформации тепла и производства за его счет дополнительного холода.
Как видно, разности температур горячей и охлажденной в АБХМ воды г^ — ^4 = 14 °С прак-
тически равны их спецификационному значению 14 °С. Однако снижение температуры обратной воды в охладителе сброса избыточной теплоты весьма существенное: ^4— « 5 °С, что свидетельствует о значительных потерях теплоты ((п по сравнению с использованной в АБХМ (га (рис. 4).
Как видно, доля теплоты Рп, сбрасываемой в атмосферу из-за необходимости поддержания
Q га, кВт Р п, кВт
Рис. 4. Использованная в АБХМ теплота ((га (я) и потери теплоты при сбросе в атмосферу ((п (б)
температуры обратной воды на входе когенера-ционного ГПД на уровне 70 °С, составляет 40% теплоты Рга, полезно использованной в АБХМ, и практически треть тепловой мощности когене-рационного модуля, равной их сумме: Qга+Qп= 1400 кВт.
Для того, чтобы исключить указанные потери тепла, можно нагреть обратный теплоноситель в газовом котле до 90 °С и подавать снова в АБХМ, т.е. ввести дополнительный рециркуляционный контур теплоносителя с котлом (рис. 5).
12°с1 Воздух в
7°С ^ ^ / воздухоохладитель
35°С ^Н
Градирня 2
Система оборотного охлаждения
Система оборотного охлаждения
Система технологического хладоснабжения
Рис. 5. Схема системы трансформации теплоты когенерационного ГПД в холод в АБХМ с рециркуляционным контуром теплоносителя и газовым котлом: ОМ — охладитель масла; ОР — охладитель рубашки двигателя; ОНСнт и ОНСвт — низкотемпературная и высокотемпературная ступени охладителя наддувочной ГВС; УК — утилизационный котел; ОТН — охладитель обратного теплоносителя; Ф — фильтр на всасывании турбокомпресора; Н — насос; ГК — газовый котел
О количестве холода, получаемого в АБХМ за счет утилизации избыточной теплоты, обычно
сбрасываемой в атмосферу бп, можно судить по рис. 6.
2 0а, кВт
;
;
; и
; /
: 1/
~ —Л—--------V—лп |
0:00
6:00
12:00
18:00
т, ч 0:00
2 0п, кВт
\
;
V
; кл'ил^у- ^ л—^Л/Н
:
м
0:00
6:00 12:00
18:00
0:00
0
0
а б
Рис.6. Количество холода, получаемого в АБХМ существующей системы трансформации тепла, <20а (а) и дополнительное его количество <20п за счет утилизации избыточной теплоты <<п, сбрасываемой в атмосферу (б)
Как видно, за счет утилизации избыточной теплоты бп, ранее сбрасываемой в атмосферу, можно увеличить холодопроизводительность триге-нерационной установки на величину б0п = 300 кВт, доводя холодильную мощность установки на базе одного ГПД до номинальной: Р0а+Р0п= 1000 кВт.
Следует отметить, что в рассмотренной триге-нерационной установке применена одноступенчатая АБХМ, эффективность которой существенно снижается с понижением температуры теплоносителя на входе. Наиболее целесообразно решить проблемы сокращения до минимума потерь теплоты можно с помощью двухступенча-
той АБХМ, подавая обратный теплоноситель с температурой 75...80 °С во вторую, низкотемпературную, ступень АБХМ.
Выводы
Анализ эффективности трансформации теплоты когенерационного модуля на базе газопоршневого двигателя в холод термотрансформатором абсорбционного типа тригенерационной установки позволил выявить наличие значительных потерь теплоты из-за несоответствия температурных условий эффективной работы термотрансформатора и когенерационного модуля. Предложено рециркуляционный контур обратного теплоносителя с бустерным газовым котлом для повышения температуры теплоносителя
перед термотрансформатором, который обеспечивает значительное приращение холодопроизво-дительности.
Литература
1. Economic utilization of Biomass and Municipal Waste for power generation. Some energy lasts for generations. — GE Jenbacher Company Overview. — June 13, 2007. - 39 p.
2. Elsenbruch T. Jenbacher gas engines a variety of efficient applications / T.Elsenbruch [статья]. — Bucuresti, October 28, 2010. — 73p.
3. GTI Integrated Energy System for Buildings. Modular System Prototype/ G. Rouse, M. Czachorski, P. Bishop, J. Patel // GTI Project report 15357/65118: Gas Technology Institute (GTI). — January 2006. — 495 p.
Поступила в редакцию 01.06.2012
A.M. Радченко, A.B. Коновалов, M.I. Радченко, О.В. Остапенко, О.С. Маншов. Узгодження роботи абсорбцшного термотрансформатора з когенерацшним газопоршне-вим модулем установки автономного енергозабезпечення
Виконано анализ ефективност1 трансформацИ теплоти когенерацшного модуля на 6a3i газопоршневого двигуна в холод термотрансформатором абсорбцшного типа. Виявлено наявшстъ значних втрат теплоти через невiдповiднiстъ температурных умов ефективно1 роботи термотрансформатора та когенерацшного модуля. Запропоновано рециркуляцш-ний контур зворотного теплоносiя з бустерним газовим котлом для тдвищення темпера-тури теплоноЫя перед термотрансформатором.
Ключов1 слова: газопоршневий двигун, когенерацшний модулъ, абсорбцшний термотрансформатор, тригенерацш, теплоносш.
A.N. Radchenko, A.V. Konovalov, N.I. Radchenko, A.V. Ostapenko, A.S. Manilov. Matching performance of absorption thermotransformer and cogeneration reciprocating gas engine module in integrated energy system
The efficiency of transforming the heat from cogeneration reciprocating gas engine module into a cold by absorption thermotransformer is analyzed. A large heat loses caused by not adequate temperature conditions for efficient performance of thermotransformer and cogeneration module are found. The recirculation contour of return hot water with buster gas boiler to rise the temperature of return hot water before the thermotransformer has been proposed.
Key words: reciprocating gas engine, cogeneration module, absorption thermotransformer, trigeneration, supply hot water.
