|
| |
|
Главная -> Экология
Газовые турбодетандеры. Переработка и вывоз строительного мусораТНУ не имеют конкуренции при дополнительном строительстве в центре городов, где существующие системы теплоснабжения перегружены, строительство дополнительных котельных недопустимо, а использование электричества для отопления слишком расточительно. Можно ожидать, что потребность в ТНУ различной мощности в ближайшее время будет нарастать и достигнет нескольких десятков тысяч. Приведем несколько примеров использования ТНУ, разработанных фирмой ЭКИП , для локальных потребителей в Москве. 1. Здание пожарной части Было необходимо модернизировать систему отопления производственных и жилых помещений площадью 300 м2. Ранее для отопления использовалась котельная, потребляющая 15000 кг угля в год. Если принять теплотворную способность угля QНР - 33500 кДж/кг и КПД котельной 0,8-0,85, то средняя потребляемая за год тепловая мощность составит около 16 кВт. В 150 м от помещения пожарной части протекает река, средняя годовая температура воды в которой -10°С. Было предложено использовать вместо котельной тепловой насос (ТН) парокомпрессионного типа. Принципиальная схема ТН показана на рисунке 1, а рабочий процесс в p-i-диаграмме - на рисунке 2. Рис.1. Принципиальная схема ТНУ с использованием низкопотенциального тепла речной воды Рис.2. Рабочий цикл ТНУ в р-i-диаграмме для различных вариантов систем отопления Рабочим веществом в цикле ТН выбран широко используемый в холодильной технике дешевый теплоноситель R22. Испарение R22 происходит на участке 6 - 1 (рисунок 2) за счет использования низкопотенциального тепла речной воды, а тепло охлаждения нагретого при сжатии в компрессоре R22 (2 -3), его конденсации (3 - 4) и переохлаждения (4-5) отдается в систему водяного отопления помещения (tB1 = 35°С, tB2= 70°С). При выбранных для этого варианта термодинамических параметрах схемы (рисунок 1) требуемая тепловая мощность обеспечивается потреблением из сети электрической мощности для привода компрессора Nкэл = 4,86 кВт. Таким образом, коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую составляет µ=16кВт/4,86 кВт= 3,29. Дальнейшее повышение экономичности ТНУ возможно при переходе от водяного отопления с высоким уровнем верхней температуры (70-90°С) к отоплению нагретым воздухом, температура которого 28-30°С [2]. При этом существенно повышается эффективность ТНУ (µ—>5,4), а требуемая электрическая мощность снижается до 2,96 кВт (рисунок 2, цикл 1-2 -3 -5 - 6 -1). Если считать, используя данные работы [3], что капитальные вложения в ТНУ составляют примерно 200 $ за 1 кВт тепловой мощности, стоимость электроэнергии для потребителя примерно 0,05 $ за 1 кВт ч, стоимость твердого топлива - около 50 $ на 1 т условного топлива (у.т.), штрафы за загрязнение окружающей среды при сжигании твердого топлива 150 $ за 1 т у.т., то срок окупаемости ТНУ составит менее года. Кроме того, новая система отопления (нагретым воздухом) повышает комфортность отапливаемых помещений за счет возможности более тонкой регулировки параметров микроклимата, уменьшает затраты на эксплуатацию ТНУ, требующую только периодического осмотра, в то время как функционирование котельной обеспечивается постоянным присутствием персонала. 2. Плавательный бассейн Для кондиционирования и отопления помещений плавательного бассейна в настоящее время используется воздух, нагреваемый до 28-30 °С в водяном калорифере. Потребление нагретого воздуха достигает 50 000 м^3/ч, что соответствует потреблению (в зимних условиях) до 1000 кВт тепловой мощности. В то же время из душевых помещений бассейна бесполезно сливается в канализацию до 150 м3 в сутки воды, температура которой достигает 30-40°С. Для таких условий можно применять ТНУ, использующую сбросное тепло из душевых для подготовки воздуха к кондиционированию и отоплению помещений бассейна. Принципиальная схема ТНУ показана на рисунке 3. В качестве рабочего вещества используется теплоноситель R22. Согласно расчетным оценкам тепловой схемы тепловая мощность воды, сливаемой из душевых, составляет 218 кВт, что позволяет при выбранных параметрах схемы обеспечить испарение 1,2 кг/с R22 и получить до 260 кВт тепловой мощности для нагрева воздуха, затратив для привода компрессора лишь 42 кВт электрической (или механической) мощности. Однако эта тепловая мощность обеспечивает подогрев воздуха по схеме 1 (рисунок 3) лишь при понижении температуры окружающей среды до tо.с. = + 14°С. При более низкой температуре наружного воздуха сбросного тепла душевых оказывается недостаточно для обеспечения отопления помещений. Недостающую тепловую мощность предлагается получить за счет рециркуляции нагретого воздуха (после его очистки и осушки), выходящего из помещений бассейна, и подмешивания его к наружному воздуху на входе в теплообменник ТНУ (схема 2, на рисунке 3). По такой схеме функционирование ТНУ обеспечивается во всем диапазоне изменяющихся климатических условий. При этом электрическая мощность привода компрессора ТНУ составит 43,2 кВт, а коэффициент преобразования µ электрической мощности в тепловую достигнет 6,1. Рис.3. Принципиальная схема ТНУ плавательного бассейна с использованием низкопотенциального тепла воды, сливаемой из душа, для подогрева воздуха: Б - помещение бассейна; О - осушитель-фильтр; Ф - фильтр наружного воздуха; К- компрессор. Рис.4. Схема двухконтурной ТНУ: 1 - группа коттеджей; 2 - канализационный коллектор; 3 - нижний теплообменник первого контура; 4, 5 - ТНУ соответственно первого и второго контура; 6 - отдельные коттеджи. Технико-экономическая оценка применения ТНУ показывает [3], что ожидаемый срок окупаемости не превысит 2,5 лет. При инвестициях в установку ТН в размере 53000 $ использование новой технологии теплоснабжения позволит сократить расходы на теплоснабжение с 60000 до 30000 $ в год и получить через 2,5 года существенную дополнительную прибыль. 3. Теплоснабжение коттеджей Если при проектировании системы теплоснабжения отдельных коттеджей руководствоваться общепринятой в централизованных тепловых сетях зависимостью температуры прямой (tпр) и обратной (tоб) сетевой воды от изменения температуры окружающей среды, то использование ТН будет малоэффективным (низкое значение коэффициента преобразования µ= 2?2,3) из-за большой разницы верхней и нижней температур цикла [2]. Кроме того, из-за отдаленности ИНТ (канализационного коллектора) от места расположения ТН будут существенными потери в трубопроводах и капитальные затраты на строительство. Поэтому предлагается использовать схему двухконтурных ТН. Идея схемы (рисунок 4) сводится к тому, что на некоторое число коттеджей (например 10) устанавливается ТН первого контура, отбирающий тепло от канализационных стоков. Среднепотенциальное тепло верхней части первого контура используется ТН второго контура, расположенными индивидуально в коттеджах, для трансформации его в высокотемпературное тепло системы отопления. При такой (двухконтурной) системе ТН второго контура расположен непосредственно у потребителя тепла (в подвале или на чердаке коттеджа, в гараже и т.п.). Поэтому, очевидно, отпадает необходимость в подогреве прямой сетевой воды до 100-135°С, следовательно, можно снизить верхнюю температуру во втором контуре цикла ТН до 70°С (рисунок 5), что повысит коэффициент µ до 3,23. При этом требуемая электрическая мощность для одного теплового узла составит 46,5 кВт, а для всех 500 коттеджей -2325 кВт. Дальнейшее повышение коэффициента преобразования µ может быть осуществлено использованием более прогрессивных способов передачи тепла в помещении [2]. Так, если использовать отопление с интенсивными теплообменниками, то уровень температур в верхней части цикла ТН может быть снижен до 50-65°С (рисунок 6). При этом потребляемая мощность снижается до 40,1 кВт, а коэффициент возрастает до 3,74. Заметим, что во всех численных расчетах схем ТН КПД компрессора принималось равным 0,7. Если же в данном варианте схемы удастся повысить КПД компрессора от 0,7 до 0,9, то потребляемая мощность снизится до 32,7 кВт, а коэффициент µ повысится до 4,58. Рис.5. Принципиальная схема двухконтурной ТНУ Рис.6. Принципиальная схема двухконтурной ТНУ с интенсивным теплообменом в жилом помещении Наиболее перспективно и экономично [2] использовать в комплексе с ТН низкотемпературные системы отопления (обогреваемые полы, отопление нагретым воздухом и т.п.). Тогда температура конденсации в верхнем цикле может быть понижена до 40°С и даже при КПД компрессора 0,7 удается снизить потребляемую электрическую мощность до 35,4 кВт, а коэффициент µ увеличить до 4,24. Как показывает расчетный анализ, при разнице верхней и нижней температур в цикле менее 70°С двухконтурный цикл начинает уступать одноконтурному по экономичности из-за увеличенной суммарной работы компрессоров. Однако использование одноконтурных схем в данном случае (распределенные мелкие потребители при отдаленном от них источнике низкопотенциального тепла) менее экономично из-за больших потерь в протяженных трубных системах. Электрическую энергию для привода компрессоров ТН предполагается получить, установив на газораспределительной станции ГРС микрорайона Косино (Москва) турбодетандерную установку, утилизирующую теряемую на дросселирующих органах ГРС потенциальную энергию давления природного газа и превращающую ее в электрическую и механическую энергию. Принципиальная схема турбодетандерной установки показана на рис.7. Природный газ с давлением на входе PВХг = 2МПа и температурой tВХг=2°С направляется по байпасной линии в обход дросселирующих органов ГРС к турбодетандерной установке. Для того, чтобы на выходе из нее природный газ, поступая к потребителям, имел температуру не ниже +2°С, что регламентируется правилами эксплуатации газовых сетей, необходимо перед расширением его в турбодетандере подогреть. В данной установке подогрев газа осуществляется в теплообменниках Т01 и Т02 с помощью ТН, компрессор К которого приводится в действие одним из двух турбодетандеров (Т1), а низкопотенциальное тепло отбирается от сточных вод в теплообменнике (ТОЗ). Рис.7. Принципиальная схема энерго-тепло-холодильной установки, использующей потенциальную энергию сжатого природного газа, установленной на ГРС вблизи п. Ухтомский Московской обл.: Др - существующая ГРС; ТО1, ТО2 - теплообменники предварительного подогрева газа; ПТ, ПХ - внешние потребители тепла и холода; T1,Т2 - турбодетандеры; К- компрессор ТНУ; И - испаритель ТНУ; ТО3 - теплообменник канализационного коллектора; => - линии природного газа; --> - контур ТНУ (R22); - - - - холодильный контур Двухступенчатое расширение в турбодетандерах и двухступенчатый подогрев газа в теплообменниках ТО1 и Т02 осуществлены в связи с большим отношением давлений на данной ГРС ( РВХг/РВЫХг = 7 ? 20 ) и необходимостью предварительного нагрева газа (при одноступенчатом расширении в турбодетандере) до 100-150°С, что существенно снизило бы эффективность ТН и привело бы к большим затратам мощности на привод компрессора. Расчеты показывают, что при работе ТН на R22 при выбранных параметрах цикла удается осуществить подогрев в Т01 и Т02 заданного расхода природного газа (GГ = 14 кг/с) до температуры +52°С, что обеспечивает при КПД турбодетандера, равном 0,8, температуру газа за ним +2 °С. При этом на подогрев газа расходуется 3360 кВт тепла, получаемого от теплового насоса, на привод компрессора которого затрачивается всего 760 кВт механической энергии (µ = 4,42) из 3300 кВт, вырабатываемых турбодетандерами Т1 и Т2. Таким образом, оставшиеся 2540 кВт механической мощности турбодетандеров могут быть использованы: для получения электрической мощности в электрогенераторах Г1 и Г2 для получения дополнительной тепловой мощности (в индивидуальных ТН в домах или в централизованном мощном ТН на ГРС) порядка 11200 кВт (для снабжения теплом 150 тыс.м3 коттеджей требуется всего 7500 кВт тепловой мощности); для организации производства холода в необходимых количествах на турбодетандерной установке ГРС. Данный анализ показывает, что возможно осуществление полного теплоэнергоснабжения территории только за счет использования нетрадиционных источников энергии (тепловых отходов, потенциальной энергии сжатого природного газа и т.п.) с применением ТН, без дополнительного загрязнения окружающей среды. P.S. Более подробную информацию о теплонасосных системах можно узнать в . Список литературы Процент В.П. Альтернативная концепция теплоснабжения городов// Энергосбережение и водоподготовка. 1997. № 2. С. 86-91. Калишь И.М. Техника низких температур на службе энергетики. Васильев Г.П. Теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ) для потребителей тепловой энергии в сельской местности// Теплоэнергетика. 1997. № 4. С. 24-27.
При поддержке Госкомэнергосбережения ООО Укрнефтезапчасть (г.Суммы) проводится научно-исследовательская работа по разработке главного экспериментального образца газового турбодетандер-электрогенераторного агрегата мощностью 100/130 кВт на базы струйно-реактивной турбины (ТДА-СЗЕ-100/130) - базового типоразмерного ряда ТДА-СРТ мощностью 50-500 кВт и проводятся его экспериментально-промышленные испытания. Показатели ТДА-СРТ-100-80/25 ТДА-СРТ-100-64/6 ТДА-СРТ-55-64/6 Мощность, кВт 100 100 55 Давление входа max, ати 80 64 64 Давление выхода max, ати 25 6 6 Расход газа, кг/с 1…1,4 1…1,3 1,2…1,5 Масса турбоагрегата, кг 1600 1670 1400 Габаритные размеры, мм 1400; 700; 880 1500; 700, 880 1670;1060 (диаметр) Цена, US$ 30000…40000 20000…30000 6000…10000 ТУРБОДЕТАНДЕР – ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРНЫЕ АГРЕГАТЫ ТДА-СРТ-100/130-64/6,0ВРД и ТДА-СРТ-100-8,0/2,5ВР базовые параметрического ряда ТДА-СРТ мощностью 50…500 кВт Технические характеристики и краткое описание Условное обозначение агрегата ТДА-СРТ-100/130-64/6,0ВРД и (ТДА-СРТ-100-80/25ВР), где ТДА - турбодетандер-электрогенераторный агрегат; СРТ – струйно-реактивная турбина; 100 - номинальная мощность ТДА в кВт; 130 – максимальная мощность ТДА в кВт при максимальном давлении на входе 64 ати; 64(80) - максимальное рабочее давление газа на входе ТДА, в ати; 6,0(25) - максимальное давление газа на выходе ТДА, в ати; В – внешняя электросеть - индекс, обозначающий исполнение ТДА-СРТ по условию работы на электрическую сеть (внешнюю или локальную). Присутствие данного индекса указывает на применение ТДА-СРТ только при работе с внешней сетью (возбуждение асинхронной электрической машины - генератора от внешней сети). Отсутствие индекса указывает на возможность применения ТДА-СРТ в качестве автономных электростанций (имеют собственную систему возбуждения или синхронный электрогенератор); Р – редукторный (передача мощности с вала СРТ на вал генератора через зубчатый редуктор); Д – давление (корпус редуктора под давлением газа на выходе ТДА). Область применения - газораспределительные станции (ГРС) и БПТГ ГПА. Параметры номинального режима Давление газа на входе – 55 ати. Давление газа на выходе – до 6,0 ати. Температура газа на входе - +15°С (без подогрева газа). Мощность – 100 кВт. Расход газа – 1,0 – 1,3 кг/с (без подогрева газа). КПД турбины – 0,47 (при частоте вращения СРТ 24100 об/мин и электрической мощности 100 кВт, с подогревом газа. Без подогрева газа, КПД ограничен температурой на выходе). Примечание – Возможно создание ТДА-СРТ с более высоким КПД более 0,6 (по спец. требованию заказчика). Массогабаритные показатели модуля ТДА-СРТ-100/130 (турбодетандер с генератором на раме) Масса модуля в целом (с генератором) – 1600 кг. Масса модуля турбодетандера – 400 кг. Гаатиитные размеры: длина и ширина рамы - 1400x700 мм; высота по рым-болтам генератора – 880 мм. Показатели надёжности ТДА-СРТ-100 (для номинального режима) Полный ресурс модуля ТДА - 100000 час. Средний ресурс ТДА между капитальными ремонтами - 20000 час. Средняя наработка на отказ - 4000 час. Работа ТДА непрерывная, круглосуточная, без остановок и без постоянного присутствия обслуживающего персонала: время работы 5000-8500 часов в год (не менее); время работы без обслуживания в автоматическом режиме не более 1000 ч; Условия эксплуатации Условия эксплуатации модулей ТДА-СРТ-100 в климатических исполнениях У1 и ХЛ1 - группа 3 по ГОСТ 15150-69. Окружающая среда – атмосферный воздух с температурой: для исполнения У1 (для районов с умеренным климатом) – от -40°С до +45°С; для исполнения ХЛ1 (для районов с холодным климатом) – от -60°С до +45°С. Состав ТДА-СРТ-100 и особенности конструкции В состав ТДА-СРТ-100 входят: модуль ТДА-СРТ полной заводской готовности со смонтированным и обвязанным вспомогательным оборудованием, приборами и датчиками автоматики, контроля и защит. Состав модуля ТДА-СРТ включает: турбодетандер на базе струйно-реактивной турбины, содержащий ротор струйно-реактивной турбины в корпусе на Ру 6. (Ротор консольно установлен на скоростных радиально-упорных шариковых подшипниках разгруженных от осевой силы); регулируемое подводящее сопло (входит в состав СРТ), выполненное в виде регулятора давления прямого действия после себя (на выходе ТДА-СРТ). Корпус на Ру 80; скоростную одноступенчатую зубчатую передачу (редуктор) в герметичном корпусе. Корпусе под давлением газа равным давлению газа в корпусе СРТ (равно давлению на выходе ГРС), при этом устраняется необходимость в дорогостоящем концевом уплотнении скоростного вала СРТ. Кинематическое передаточное отношение редуктора - 7,85. Компоновка редуктора с блоком СРТ образуют единый модуль, устанавливаемый непосредственно на валу генератора (без пром. вала и муфты); систему концевого уплотнения выходного вала редуктора СРТ (торцевое масляное); систему смазки редуктора и подшипников валов СРТ и редуктора, принудительную форсуночную от шестеренчатого насос-электромотора; генератор трёхфазного переменного тока во взрывозащищённом исполнении, в качестве которого используется взрывозащищённый асинхронный электродвигатель КО52-2 (возможно использование любого подобного) как обратимая электрическая машина (возбуждение от внешней электрической сети). Частота вращения ротора - 3075 об/мин (при N=100 кВт), напряжение – 380 В; рама (для обеспечения требования модульности ТДА-СРТ); система автоматического управления, контроля и защиты (САУ), микропроцессорная на базе одноплатного контроллера (процессорной платы) РС 5066. Предпочтительна одна на несколько агрегатов. Для уменьшения стоимости одиночного агрегата возможна его поставка с релейной системой; система силового подключения и контроля вырабатываемой электроэнергии.
Глава 2. Запорожье не газированное. Отопительный сезон по новым правилам. 4. Дешевой нефти больше не будет. Главная -> Экология 
|