|
| |
|
Главная -> Экология
Дефицит бьется сбережением. Переработка и вывоз строительного мусораГринман М.И. к.т.н., Фомин В.А. к.т.н. ООО «Комтек-Инжениринг» Общие положения. Важнейшим направлением Энергетической программы (до 2020 г.), принятой Правительством РФ в 2003 г., является энергосбережение во всех отраслях промышленности. Во-первых, энергосбережение предполагает внедрение новых технологических процессов, в основе которых заложена меньшая энергоёмкость по сравнению с существующими технологиями. Во-вторых, - использование низкопотенциальной энергии, которая на современном уровне развития энергетики ещё мало применяется, что приводит к снижению коэффициента использования теплоты сгорания топлива в различных технологиях, основанных на применении органического топлива, как источника тепловой энергии. Кроме того, сброс низкопотенциальной энергии вызывает тепловое загрязнение окружающей среды. Таким образом, использование низкопотенциальной энергии, как фактор энергосбережения, – важнейшая народно-хозяйственная задача. В условиях быстрого роста цен на органическое топливо энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения её конкурентной способности. Основные направления энергосбережения: - использование низкопотенциальной энергии промышленных предприятий ; - создание простых и надёжных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива; - повышение коэффициента использования теплоты топлива на энергетических установках, обеспечивающих тепловой энергией ЖКХ страны. Решение перечисленных проблем сдерживается отсутствием на отечественном энергетическом рынке установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкими параметрами теплоносителей. В тоже время область применения таких установок достаточно широка. В системе теплоснабжения городов России находятся в эксплуатации паровые котлы серии ДЕ и ДКВР паропроизводительностью от 16 т/ч до 25 т/ч и с параметрами пара: давление 1,2 – 1,4 МПа, температура 200 -225 0С. Для снижения параметров пара до значений, необходимых для подогрева сетевой воды, применяют редукционные охладительные установки (РОУ), что приводит к значительным потерям энергии. При реконструкции котельной в мини-ТЭЦ вместо РОУ устанавливают противодавленческую турбину, пар из которой подают на подогрев сетевой воды [1,2]. В летний период при отсутствии отопительной нагрузки котёл и турбина не работают. Однако, если применить контур с низкокипящим теплоносителем (НКТ), то пар из противодавленческой турбины можно подавать в этот контур и вырабатывать электроэнергию. В различных отраслях промышленности применяются сотни промышленных печей со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно устанавливать водогрейные котлы, нагретую воду из которых подавать в контур НКТ для выработки электроэнергии. На магистральных газопроводах страны установлены десятки газотурбинных компрессорных станций со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие ГТУ можно перевести в режим ПГУ с применением контуров с НКТ. Дешёвые местные виды топлива можно сжигать в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НКТ. Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют в качестве рабочих тел НКТ, которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике. В качестве НКТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, изобутан и др. [3-11]. При выборе НКТ необходимо выполнять ряд требований: •дешевизна; • хорошие теплофизические свойства (максимум работы при минимальных параметрах), • НКТ не должен быть ядовитым; • отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект), • замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий России; • желательно, чтобы пограничная кривая пара в Т-S координатах имела положительную производную, т.е. процесс расширения в турбине заканчивается в области перегретого пара, что исключает эрозию лопаток и не требует перегрева пара перед турбиной. Выполненный авторами анализ показал, что для значений температур греющих теплоносителей в диапазоне 140-190 0С целесообразно применять в утилизационном контуре пентан, критические параметры которого имеют значения 33,7 бар, 196,6 0С. Однако в конденсаторе пентановой установки приходится поддерживать температуру 50-60 0С, чтобы иметь в нём давление выше атмосферного для предотвращения подсоса воздуха в контур. Для значений температур греющих теплоносителей в диапазоне 100-130 0С целесообразно применять в утилизационном контуре хорошо известный в холодильной технике и быту газ бутан (R-6О0 по международной классификации). Бутаны (С4Н10) – газообразные, насыщенные углеводороды , без цвета и запаха. Критические параметры бутана имеют значения 38 бар, 152 0С, а давление насыщенных паров при температурах 30….40 0С составляет 2,8….3,75 бар. Низкие температуры конденсации увеличивают удельную работу, совершаемую бутаном в турбине. Единственным недостатком бутана (как и пентана) является его взрывоопасность при соединении с кислородом, однако этот недостаток научились преодолевать за счет специальных средств, широко применяющихся в конструкции и при эксплуатации газовых компрессоров и турбодетандеров, появившихся в последнее время в массовом количестве. Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование (рисунок 1). Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено двухступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и струйном термонасосе ( инжекторе). Области применения предлагаемого бутанового контура в промышленном и коммунальном тепло- и электроснабжении многообразны и определяются источником низкопотенциальной теплоты, подводимой к парогенератору бутана. Варианты тепловых схем энергетических установок с применением с НКТ (пентан,бутан). Совмещение контура с НКТ с противодавленческими турбинами малой мощности, установленными в отопительных котельных. Выработка электроэнергии на тепловом потреблении наиболее эффективна, поэтому на многих паровых котельных промышленных и коммунальных предприятий устанавливают противодавленческне турбины, имеющие минимальные габариты, простые в эксплуатации, дешевые и не требующие сложного сервиса. Основной недостаток варианта надстройки котельных паровыми противодавленческими турбинами состоит в том, что они могут работать только при наличии тепловой нагрузки. Летом, когда тепловая нагрузка горячего водоснабжения составляет только 15% от номинальной, турбина не сможет работать, если не будет дополнительной нагрузки, связанной с потреблением пара низких параметров на технологические нужды. В весенне-осенний период , когда температура наружного воздуха большую часть времени далека от расчетной отопительной, турбина несет не полную нагрузку. В результате коэффициент использования установленной мощности в среднем за год может составлять 0,5 и ниже. Установка теплофикационной турбины типа “Т“ на низкие параметры пара (даже если это возможно при наличии охлаждающей воды) вместо противодавленческой вряд ли технико-экономически оправдана, поэтому на практике и не встречается. Данный вариант имеет более высокую тепловую экономичность, но из-за развитой конденсационной части и наличия поворотной диафрагмы, турбина имеет большие габариты и поэтому должна устанавливаться на специальном фундаменте, что требует, соответственно, и больших габаритов машзала. В пределах строительной площадки котельной не всегда удаётся найти место для машзала. Кроме того, длинные лопатки последних ступеней турбины имеют эрозию из-за влажности пара, они сложны в ремонте, что вызывает необходимость в квалифицированном ремонтном персонале и т. д. Зимой часть низкого давления работает в вентиляционном режиме, что тоже связано с определенными проблемами. Конденсационный вариант требует также более высокого уровня эксплуатации. Для его реализации необходим большой расход охлаждающей воды (на один кг пара нужно приблизительно 50 кг. охлаждающей воды), которой, как правило, нет. Воздушный конденсатор в чистом виде также не применим, так как нужен промежуточный теплоноситель, не замерзающий при низких температурах, а это приводит к большим термодинамическим потерям, ставящим под сомнение целесообразность всего проекта. Аналогичные проблемы возникают, когда к выхлопу противодавленческой турбины подстраивают турбину “мятого” пара (которая по существу является цилиндром низкого давления, т.е. конденсационной частью турбины большой мощности). Наиболее эффективно подстраивать к выхлопу противодавленческих турбин контур, работающий на бутане, так как уровень температур греющего пара составляет 130-150 0С . В этом случае любая недогрузка противодавленческой турбины по тепловой мощности передаётся в дополнительный контур (рис.2). Совместная работа парового и бутанового контуров может обеспечить коэффициент использования установленной мощности, равный 1 независимо от тепловой нагрузки, как и в случае применения турбины “мятого” пара. Применение бутана в качестве рабочего тела позволяет создать компактную малогабаритную турбину, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения бутана уменьшается на два порядка. Так при температуре конденсации 30 0С, удельный объем водяного пара составляет 32,89 м3/кг при давлении 0.0425 бар, в то время как у бутана (Р. 600) - 0.141 м3/кг при давлении 2,81 бар. В результате в бутановом контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми ее эксплуатационными проблемами. Это позволяет создавать конструкции минимальных габаритов из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Так, если исходить из общепринятых принципов проектирования, то для пропуска в конденсатор 30 тонн водяного пара при указанных выше параметрах потребуется длина рабочей лопатки последней ступени около 350 мм, в тоже время для пропуска равного по тепловой мощности массового расхода бутанового пара необходима лопатка длиной менее 50 мм. В энергоустановках с противодавленческими паровыми турбинами (рис.2) органическое топливо подаётся в паровой котёл, водяной пар из которого поступает в турбину. После турбины пар может быть использован либо для теплофикации (в период отопительного сезона), либо в парогенераторе бутанового контура ( при отсутствии отопительной нагрузки). Бутановый пар из парогенератора направляется в бутановую турбину, производит механическую работу и конденсируется в воздушном или водяном конденсаторе. Бутановый конденсат с помощью насосов и инжекторов проходит систему регенерации и подаётся в парогенератор, то есть цикл замыкается. При создании комбинированной установки, состоящей из противодавленческой турбины и бутанового контура, годовая выработка электроэнергии удваивается. Это происходит за счёт того, что даже в периоды отсутствия тепловых нагрузок противодавленческая турбина работает на номинальной мощности, и, кроме того, в эти периоды электроэнергия дополнительно вырабатывается в бутановом контуре. Создание автономных источников тепла и электроэнергии, работающих на местных видах топлива, с использованием контура с НКТ. Еще одной важной особенностью применения пентанового или бутанового контуров является их независимость их структуры от типа первичного источника тепла. Например их можно интегрировать с водогрейным котлами (рис.3), которые нашли массовое применение ( несмотря на то , что первоначально их применение планировалось только в качестве пиковых) благодаря простоте эксплуатации и отсутствию проблем с водоподготовкой, необходимой для паровых котлов. Имеются предложения по переводу водогрейных котлов большой тепловой мощности в паровой режим работы для получения возможности выработки электроэнергии на собственные нужды котельной путём установки паровых турбинах с противодавлением [12]. Однако это мероприятие требует значительной реконструкции котла. В случае применения бутана нет необходимости в реконструкции водогрейного котла, достаточно установить испаритель, в качестве которого могут быть использованы пластинчатые теплообменники, например, фирмы Альфа- Лаваль, отличающиеся особой компактностью. Итак, независимо от параметров котла и его тепловой мощности можно создать гарантированный источник дешевой электроэнергии для собственных нужд водогрейных котельных или просто компактный изолированный источник тепла и электроэнергии с любым видом местного топлива, независимо от источника охлаждения, в том числе для отдаленных районов. Применение бутанового контура в составе парогазовых установок малой мощности. Парогазовые установки малой мощности (1,5….6,0 МВт) часто используются в режиме ПГУ-ТЭЦ, в которых теплота продуктов сгорания после газовой турбины используется для теплофикации. При этом применяют тепловые схемы с паровым или водогрейным котлом- утилизатором (КУ). В первом варианте пар из парового КУ поступает либо в противодавленческую турбину (типа Р), либо в теплофикационную турбину (типа Т). В турбинах типа Т при отсутствии тепловых нагрузок «лишний» пар подаётся в конденсатор. В турбинах типа Р, подающих в течение отопительного периода пар на теплофикацию, такой возможности нет, потому к ним целесообразно подключать бутановый контур (рис. 4). Если в тепловой схеме ПГУ нет бутанового контура, то в период отсутствия тепловых нагрузок КУ отключается, и газотурбинная установка работает автономно с низким КПД. При наличии бутанового контура ГТУ постоянно в течение всего года работает с КУ, но при отсутствии теплового потребления пар из турбины Р подаётся в бутановый парогенератор, то есть его теплота используется для выработки электроэнергии в бутановом контуре. КПД комбинированной установки такого типа повышается на 10 % по сравнению с режимом автономной работы ГТУ. Во втором варианте в КУ производится подогрев сетевой воды. В базовой схеме в отопительный период ГТУ работает совместно с КУ, и ПГУ имеет высокое значение коэффициента использования топлива. При отсутствии теплового потребления ГТУ работает автономно с низким КПД. В модернизированной тепловой схеме в состав ПГУ введён бутановый (пентановый) контур (рис.5). ГТУ постоянно в течение всего года работает с КУ, но при отсутствии теплового потребления горячая вода после КУ подаётся в парогенератор бутана (пропана), то есть теплота продуктов сгорания ГТУ используется для выработки электроэнергии в контуре НКТ. КПД комбинированной установки такого типа также увеличивается на 10 % по сравнению с режимом автономной работы ГТУ. Создание автономных источников тепла и электроэнергии с бутановым (пентановым) контуром, работающим на сбросном тепле промышленных предприятий. Применение бутанового контура позволяет простыми техническими средствами утилизировать тепло технологических процессов даже в тех случаях, когда традиционные методы неэффективны или невозможны. Рабочие тела различных технологических процессов, сбрасываемые обычно в окружающую среду, имеют различный химический состав и температуру. Отвод теплоты от этих рабочих тел можно производить с помощью простых по конструкции водяных КУ, выпускаемых промышленностью. Далее нагретая вода подаётся в бутановый испаритель, в котором происходит передача теплоты от воды в бутановый контур . В качестве вариантов источников сбросной энергии могут быть выходные газы различных промышленных печей в металлургии, при производстве стекла и цемента, в целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, нефтехимии и т.д. Расчеты показали, что если от водогрейного котла передать в бутановый контур тепловую мощность 5,75 Гкал/час, то в нем можно получить электрическую мощность около 700 кВт при использовании воздушного конденсатора, если же есть техническая вода, то электрическая мощность увеличится до 850 кВт. Использование водогрейного котла в качестве автономного источника может быть оправдано дефицитом топлива и простотой эксплуатации. ООО «Комтек-Инжениринг» выполнен значительный объём работ по применению бутанового (пентанового ) контуров для утилизации низкопотенциальной теплоты: - разработаны варианты схем включения контуров с НКТ совместно с паровыми и водогрейными котлами, а также с противодавленческими турбинами; - разработаны варианты схем включения контуров с НКТ в состав парогазовых установок; - разработаны тепловые схемы бутанового контура, в том числе с применением бутановых инжекторов и смешивающих подогревателей; - проведены расчёты параметров и технико-экономических показателей различных вариантов тепловых схем энергетических установок с применением бутанового (пентанового) контура; - разработана схема высокогерметичных уплотнений вала турбины, предотвращающих протечки бутана в окружающую среду; - разработаны технические проекты бутановых турбин мощностью от 1 до 3 МВт. Список литературы 1. Васькин В.В., Петрущенков В.А. Тепловые схемы мини-ТЭЦ на базе противодавленческих паровых турбин, применяемые в рабочихпроектах. / Новости теплоснабжения, №8, 2004, с. 22-26. 2. Васильев А.Ф., Делюкин А.С., Жилина Л.Ю. Опыт Санкт-Петербурга в реализации проектов по реконструкции системы теплоснабжения. 3. Установка для выработки электрической и тепловой энергии. / М.И. Гринман,И.В.Сапаров, М.А. Готовский, О.П. Кректунов //Патент на полезную модель № 46046, 22.12.2004 г. 4. Гринман М.И.,Казанцева С.Е., Кириллов А.И., Ходак Е.А., Рыхтер О.Л. Выбор формы проточной части бутановой турбины. Материалы V111 Всероссийсколй конференции по проблемам науки и высшей школы. 26-27 мая 2004 г., Санкт-Петербург.- СПб.: СпбГПУ, 2004. -394 с. 5. Гринман М.И., Казанцева С.Е., Кириллов А.И., Ходак Е.А., Рыхтер О.Л. Утилизация низкопотенциальной теплоты в бутановом цикле. Материалы V111 Всероссийсколй конференции по проблемам науки и высшей школы. 26-27 мая 2004 г., Санкт-Петербург.- СПб.: СпбГПУ, 2004. -394 с. 6. Гринман М.И. Применение турбин на низкопотенциальных теплоносителях в энергетике, промышленности и ЖКХ. Доклад на Х Белорусском энергетическом и экологическом конгрессе 5-6 октября 2005 г. Республика Беларусь, г . Минск 7. Бинарные электрические станции / О.А.Поваров, В.А. Саакян, А.И. Никольский и др.// Тяжёлое машиностроение. 2002. №8. С. 13-15. 8. A. Duvia, M. Gaia. ORC plants for power production from biomass from 0,4 MWe to 1,5 MWe: Technology, efficiency, practical experiences and economy. / Paper presented at the 7th «Holzenergie- Synopsium» 18 Oktober 2002, ETH Zurich. 9. Сапожников М.Б., Тимошенко Н.И. Предельная эффективность электрических станций на низкокипящих рабочих телах. / Теплоэнергетика, №4, 2005, с. 68-72. 10. Энергоутилизационная установка с пентановым рабочим циклом. /Бухолдин Ю.С., Олефиренко В.М., Парафейник В.П. и др. //Газотурбинные технологии, янв.-февр., 2005, с. 10-12. 11. Установка паровых турбин при переводе водогрейных котлов в пароводогрейный режим./ БарочинБ.Л., Верес А.А., Вол М.А. и др. Энергосбережение и водоподготовка, №1, 2004, с. 54-57 12. Утилизация сбросной теплоты ГПА в энергоустановках с низкокипящими рабочими телами. / Билека Б., Васильев Е., Избаш В. и др. // Газотурбинные технологии, сент.- окт. 2002, с. 6-10. Рис. 1. Тепловая схема бутанового контура . Обозначения: ИБ – испаритель бутана; ТБ – турбина бутановая; Конд. – конденсатор; КНБ – конденсатный насос бутановый; ИВД – инжектор высокого давления (острого пара). Параметры бутановой турбины: tо = 130 С Ро = 26,3 бар Gт = 162,7 т/ч Nэл = 2000 кВт n = 3000 об/мин Рис.2 Тепловая схема энергетической установки с противодавленческой турбиной и бутановым контуром Обозначения: 1 – стопорный и регулирующий клапаны с пневмоприводом; 2 – бутановая турбина; 3 – «сухие» бутановые уплотнения; 4 – воздушный конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – инжектор; 7 – испаритель бутана; 8 – паровая турбина типа Р-6-3,4/0,5; 9 – подогреватель бутана смешивающий струйного типа; 10 – БРОУ. Рис.3. Схема мини-ТЭЦ с водогрейным котлом и бутановым контуром Обозначения: 1 – стопорный и регулирующий клапаны с пневмоприводом; 2 – бутановая турбина; 3 – «сухие» бутановые уплотнения; 4 – воздушный конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – инжектор; 7 – сепаратор; 8 – сепараторный насос; 9 – подогреватель бутана; 10 – испаритель бутана; 11 – водогрейный котел КВа 7,56 ГЛЖ; 12 – подогреватель бутана смешивающий струйного типа; 13 – БРОУ. Рис.4 Схема комбинированной энергетической установки, включающей ПГУ с паровым котлом –утилизатором и бутановый (пентановый) контур. Обозначения: К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; КУ – котел-утилизатор для водяного пара; ПП- пароперегреватель; И – испаритель; Эк – экономайзер; ГПК – газовый подогреватель конденсата; ПСВ – подогреватель сетевой воды; Д – деаэратор; Р –паровая турбина с противодавлением; ИБ – испаритель бутана; ПБ – подогреватель бутановый; Инж. – инжектор; Конд. – конденсатор; КНВ – конденсатный насос водяной; КНБ – конденсатный насос бутановый. Рис.5 Схема комбинированной энергетической установки с газовой турбиной, водогрейным КУ и бутановым (пентановым) контуром. Обозначения: К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ВКУ – водогрейный котел-утилизатор; ТБ – турбина бутановая; ИБ – испаритель бутана; Инж. – инжектор; КН – конденсатный насос; Конд. – конденсатор.
Рост ВВП страны тормозят огромные потери энергии в ЖКХ и промышленности Одним из решений актуальной сегодня проблемы энергодефицита может стать энергосбережение во всех его видах. Сегодня энергоемкость российского ВВП более чем в два раза выше среднемирового уровня, так что возможности для экономии есть. Эта тема была стержневой на прошедшей 10 октября в РИА Новости пресс-конференции исполнительного директора Центра по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ) Игоря Башмакова. По оценкам экспертов, энергодефицит в этом году испытают от 10 до 16 российских регионов, что значительно больше, чем в минувшую суровую зиму. В этих регионах кривая роста энергопотребления круто взмыла вверх, опрокидывая прогнозы, заложенные в Энергетической стратегии России . Однако специалистов сегодня тревожит не только резкий рост энергопотребления, но и низкая эффективность использования газа, электрической и тепловой энергии. Энергоемкость российского ВВП в 2,3 раза выше среднемирового уровня. По этому показателю Россия уступает США в два раза, а Японии - даже в 6 раз. По данным ЦЭНЭФ, сейчас основной причиной рекордного роста энергопотребления является население, а не промышленность, как было раньше. В 2004-2005 годы на долю населения пришлось 84 процента всего прироста энергопотребления. А другая цифра и вовсе шокирует, даже если принять во внимание хронические проблемы ЖКХ: в России тратится в 6-8 раз больше энергии на отопление одного квадратного метра, чем в развитых странах. По подсчетам Игоря Башмакова, повышение энергоэффективности только в ЖКХ и промышленности может в течение 8-10 лет давать ежегодный прирост ВВП в объеме 5-6 процентов. Аргументы таковы: от 40 до 50 процентов подаваемого в дома тепла теряется через оконные и дверные проемы. И энергодефицит в московской энергосистеме минувшей зимой стал следствием включения не менее миллиона электрообогревателей в плохо утепленных домах и общественных зданиях . По данным ЦЭНЭФ, только утепление окон и замена части ламп накаливания на энергоэффективные лампы высвободит в московской энергосистеме не менее 1350 мегаватт мощности. Этого достаточно для того, чтобы обеспечить потребности экономического роста в Московском регионе в течение трех лет без строительства пиковых мощностей. Для сравнения: реализация намеченной РАО ЕЭС России и столичными властями программы по строительству в регионе новых мощностей к 2010 году даст 5800 МВт. Необходимо разработать федеральную программу, в которую должны входить пункты, касающиеся повышения энергоэффективности в ЖКХ и в промышленности , - выступил с инициативой Игорь Башмаков. Кроме того, он сообщил, что ЦЭНЭФ провел по просьбе минэкономразвития анализ экономии при внедрении энергосберегающих технологий. Оказалось, что в стране можно сберегать без учета экономии в сельском хозяйстве и на транспорте до 390 миллионов тонн условного топлива каждый год. Это особенно актуально в условиях, когда цены на топливо идут вверх, а Газпром ограничен в возможностях поставлять газ энергетикам в достаточных объемах. Кстати, энергоэффективность выгодна не только на мегауровне. Если рядовой россиянин утеплит окна в своей квартире и станет использовать энергосберегающие приборы, то, по данным ЦЭНЭФ, это позволит ему сэкономить от 14 до 40 тысяч рублей за пять лет
Организация и проведение энергоа. Словарь терминов. Чубайс прогнозирует тяжелый периоддефицита мощности электроэнергии. Возможность регулирования отопительных установок. На биодизеле — в европу. Главная -> Экология 
|