авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение эффективности работы паровых котельных при использовании когенерационных установок с винтовым двигателем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Репин Александр Львович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПАРОВЫХ

КОТЕЛЬНЫХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК С ВИНТОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Специальность 05.14.04- Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар-2006

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.

Научный руководитель: д-р техн. наук, профессор

Гапоненко Александр Макарович

Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, профессор

Амерханов Роберт Александрович

д-р техн. наук, профессор

Запорожец Евгений Петрович

Ведущая организация:

ОАО «Южный инженерный центр энергетики», г. Краснодар

Защита состоится 7 ноября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 Кубанского государственного технологического университета (350058, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4 ауд. 410)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « 6 » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент Л.Е. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Произошедшие в экономике России изменения заставляют по-новому взглянуть на проблемы малой энергетики. По разным оценкам от 50 до 70 % территории России, на которой проживает более 20 млн. человек, не охвачено централизованным энерго и электроснабжением. На этой огромной территории жизнедеятельность людей обеспечивается, главным образом, средствами малой энергетики: электроснабжение – от автономных дизельных электростанций (ДЭС), теплоснабжение – от местных котельных установок, работающих на твердом, жидком и реже газообразном топливе.

Анализ режимов работы и технического состояния существующих источников тепловой энергии свидетельствует об их низкой энергетической эффективности и надежности. Последнее подтверждается участившимися случаями аварийного отключения котельных, вызванными прекращением электроснабжения, например, из-за обрывов линий электропередач. В результате таких аварий прекращается циркуляция теплоносителя, что в условиях низких температур может приводить к размораживанию трубопроводов и всей системы в целом.

В связи с этим весьма актуальным является вопрос об организации в паровых котельных производства электрической энергии для покрытия собственных нужд и для отпуска сторонним потребителям. В большинстве коммунальных и промышленных котельных установлены котлы типов ДКВР, ДЕ, КЕ и др., вырабатывающие пар с давлением 1,3 МПа. В то же время потребители используют его, как правило, при давлении 0,3-0,4 МПа. Понижение давления осуществляется в редукционных устройствах путем дросселирования, при этом на каждой тонне пар теряется 40-50 кВт*ч энергии. Указанный перепад давления может быть использован для производства электрической энергии в автономной энергогенерирующей установке, состоящей из парового двигателя и электрического генератора.



Это позволит не только существенно снизить себестоимость вырабатываемого тепла, но и обеспечить надежное электроснабжение котельной.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности работы паровых котельных за счет использования свободного перепада давления пара для выработки электрической энергии в когенерационной установке с винтовым двигателем.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

- разработать математическую модель винтового двигателя и провести расчетное исследование режимов его работы;

- экспериментально проверить работоспособность двигателя и адекватность разработанной математической модели;

- провести оптимизацию характеристик винтового двигателя для условий его эксплуатации по тепловому графику в паровых котельных;

- разработать методику расчета и выбора геометрических параметров двигателя и режимов работы когенерационной установке в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимально возможной годовой выработки электрической энергии.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены новые научные результаты:

- разработана математическая модель винтового двигателя, работающего на различных рабочих телах, в том числе на водяном паре;

- проведена экспериментальная проверка адекватности математической модели винтового детандера;

- получены режимные характеристики винтового двигателя при его работе на водяном паре;

- предложена методика выбора геометрических параметров двигателя, режимов его работы в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимальной годовой выработки электрической энергии.

Методы и средства выполнения исследований.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались общепринятые методы термодинамических расчетов процессов с переменной массой рабочего тела. При разработке методики расчета использовались методы математического анализа, пакеты прикладных программ (Excel, Mathcad), а также аппроксимирующие уравнения для используемой области h-s-диаграммы водяного пара. Экспериментальная проверка математической модели осуществлялась на электрогенераторном комплексе ДГУ-250.

К защите представляются следующие основные положения:

- математическая модель винтового двигателя, работающего на различных рабочих телах, в том числе на водяном паре;

- результаты расчетного и экспериментального исследования винтового двигателя;

- результаты оптимизации геометрических и режимных характеристик винтового двигателя;

- методика выбора геометрических параметров двигателя и режимов его работы в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимальной годовой выработки электроэнергии;

- рекомендации по выбору типоразмера, геометрических характеристик и режима работы винтовой расширительной машины для конкретного источника тепловой энергии.

Практическая значимость.

Внедрение коагенерционных установок с винтовым двигателем в паровые котельные является энергосберегающим мероприятием, т.к. позволит исключить потери энергии при редуцировании пара.

Отказ от покупной электроэнергии позволит значительно уменьшить себестоимость вырабатываемого тепла, повысить надежность электроснабжения источника, а также уменьшить экологический вред от выбросов в атмосферу.

Рекомендации, разработанные на основе анализа режимов совместной работы систем теплоснабжения и парового двигателя, позволяют осуществить рациональный выбор геометрических параметров и производительности винтового двигателя, а также режима его работы в зависимости от величины и характера присоединенной тепловой нагрузки. Предложенные методики позволяют определить величину годовой выработки электроэнергии, рентабельность, экономическую эффективность и срок окупаемости данной установки.

Реализация результатов.

Результаты проведенных по разработанной методике расчетных и экспериментальных исследований положены в основу корректировки технической документации на детандер-генераторную установку с целью постановки ее на производство

Изготовленный и исследованный опытно-промышленный образец винтового двигателя в составе когенерационной установки ДГУ-250 планируется к установке на одной из паровых котельных.

Методика подбора геометрических параметров и производительности двигателя для максимального покрытия годового графика тепловой нагрузки котельной передана в ООО «Теплопроектстрой» для использования при проектировании детандер-генераторных комплексов.

Апробация работы.

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Международном научно-техническом семинаре «Энергосбережение и возобновляемая энергетика – 2005» ( г.Сочи), V Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии» (г. Новочеркасск, 2005г.), Международной научно-технической конференции «Энергетика XXI века» (Крым, 2005), научно-техническом семинаре предприятия «Краснодарская ТЭЦ» АО «Кубаньэнерго»(Краснодар, 2005г.), заседании кафедры «Промышленная теплоэнергетика и ТЭС» КубГТУ (Краснодар, 2006г.), четвертой южнороссийской научной конференции. «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 118 страницах, включая 36 рисунков, 5 таблиц. Список используемой литературы включает 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Отмечается наличие потерь энергии в котельных при редуцировании потоков пара, указывается на ненадежность работы источников тепла при авариях в системах электроснабжения, которые приводят к прекращению теплоснабжения. Сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы в области повышения эффективности источников тепла при организации в них производства электрической энергии, т.е. при реконструкции котельных в мини-ТЭЦ.

Отмечена существующая тенденция энергопотребителей к разработке и внедрению собственных источников энергоснабжения.

Рассмотрены и проанализированы известные методы организации комбинированного производства тепловой и электрической энергии в существующих котельных, включая использование газотурбинных агрегатов (ГТУ), двигателей внутреннего сгорания, паротурбинных установок (ПТУ). Отмечены достоинства и недостатки каждого из этих технических решений.

Обоснована целесообразность использования в области электрических мощностей когенерационных комплексов до 500 кВт винтовых двигателей.

Проанализирован отечественный и зарубежный опыт использования винтовых расширительных машин в разных отраслях промышленности.

С учетом изложенного сформулированы задачи исследования.

Во второй главе показано, что для осуществления совместной работы котельной, электрогенераторного комплекса и системы теплоснабжения необходимо иметь возможность с достаточной степенью точности прогнозировать характеристики винтового двигателя и параметры рабочего тела в процессе расширения.

Для решения этой задачи в данной главе разработана математическая модель рабочего процесса детандера. Основными усложняющими моментами при этом явились переменность массы пара, расширяющегося в рабочей полости, протечки пара из полостей высокого давления в полости с более низким давлениям, а также протекание процесса в области влажного пара вблизи пограничной кривой.

В основу математической модели винтового двигателя положено уравнение первого закона термодинамики в виде

dQподв=d(Gh)-Vdp=hdG+Gdh-Vdp, (1)

где dG – изменение массового заряда в полости;

dh – изменение удельной энтальпии пара в полости при повороте

ведущего ротора на угол d.

Тепло, подведенное к полости dQподв, алгебраически складывается из отвода тепла через стенки корпуса ВРМ в окружающую среду dQвнеш, подвода тепла с паром, натекающим в полость i из сзади идущих полостей dGi-4,dGi-1, а также отвода тепла с утечками во впереди идущие полости dGi+1,dGi+4,dGi+5.

dQподв = dQвнеш + dGi-4*hi-4+dGi-1*hi-1-(dGi+1+dGi+4+dGi+5)*hi, (2)

По оценкам других исследователей отвод тепла в окружающую среду dQвнеш составляет до 0,5% мощности ВРМ и может не учитываться.

С учетом (1) изменение давления в полости при повороте ведущего винта на угол d составит:

, (3)

Интегрирование уравнения 3 возможно осуществить только численными методами в связи с отсутствием аналитических зависимостей между входящими в него величинами





Изменение давления в парной полости при повороте ведущего ротора на угол в конечных разностях

, (4)

где

- результирующее изменение массы пара в полости;

- приращение энтальпии в полости, которое является

результирующей величиной трех составляющих:

- увеличения объема при изоэнтропном расширении от до

- изменение массы пара из-за натечек и утечек

- от смешения с паром, натекающим в полость.

На основе уравнения (4) были разработаны программы расчета рабочего процесса ВРМ на сухом, перегретом и влажном паре.

Для расчета рабочего процесса двигателя на влажном паре нами было разработано математическое описание hS- диаграммы в области протекания исследуемых процессов в виде комплекса аппроксимирующих уравнений.

Одной из основных характеристик работы винтового двигателя является адиабатный КПД, который может быть представлен в виде произведения частных коэффициентов

, (5)

где - соответственно коэффициенты, учитывающие потери с протечками, отклонениями режима от расчетного, гидравлические потери.

В работе предложены уравнения для расчета этих показателей.

Расход рабочего тела через ВРМ

. (6) Внутренняя мощность ВРМ . (7)

Электрическая мощность на клеммах генератора определяется с учетом механических потерь в двигателе, редукторе и генераторе.

Материалы, полученные при расчетах по предложенной методике, позволяют осуществлять прогнозирование показателей детандер-генераторных установок с ВРМ и оптимизировать их геометрические параметры для максимального покрытия тепловой нагрузки конкретного источника тепла, а также выполнять технико-экономические расчеты для оценки эффективности предлагаемых технических решений.

В третьей главе дано описание конструкции и схемы опытно-промышленного образца детандер-генераторной установки ДГУ-250 с винтовым двигателем, а также приведены результаты расчетного и экспериментального исследования ее работы на сжатом воздухе и дано сопоставление экспериментальных характеристик с расчетными данными.

Коагенерационная установка ДГУ-250 состоит из винтового двигателя, редуктора, электрогенератора и щита управления. Стенд, на котором производились испытания установки, оборудован приборами для измерения и регистрации температур, давлений, расхода рабочего тела, а также скорости вращения роторов винтовой расширительной машины.

При проведении испытаний ВРМ на сжатом воздухе в условиях завода изготовителя была подтверждена работоспособность комплекса и всех систем, а также получены экспериментальные зависимости .

Используя разработанную математическую модель ВРМ, те же зависимости были получены расчетным путем.

Результаты сопоставления опытных и расчетных показателей (расхождение не превышает 7 %) позволяют сделать вывод о достаточной адекватности предложенной математической модели.

Кроме того, в условиях работы ВРМ в паровых котельных, входящих в систему теплоснабжения, основным фактором, определяющим режим работы комплекса, является меняющаяся тепловая нагрузка источника тепла, и как следствие, изменение входного давления пара Рвх. Это потребовало рассмотреть влияние Рвх и n на основные показатели установки Рис (1,2,3)

Важным преимуществом ВРМ перед другими типами расширительных машин является положительное влияние наличия жидкой фазы в потоке расширяющегося газа на показатели работы двигателя.

При работе на водяном паре конденсат не только может образовываться в рабочей полости при снижении давления, но и поступать в машину вместе с паром. В результате под действием центробежных сил на поверхности расточки корпуса и на боковых поверхностях зубьев появляется пленка конденсата, толщина которой в зависимости от количества конденсата может оказаться сопоставимой с величиной зазоров в машине. Заполнение зазоров жидкой пленкой существенно снижает перетечки между полостями, что заметно повышает КПД винтового

 Зависимость расхода пара от-13

Рисунок 1 - Зависимость расхода пара от частоты вращения ведущего ротора при различных значениях Рвх.

 Зависимость мощности ДГУ от-14

Рисунок 2 - Зависимость мощности ДГУ от частоты вращения ведущего винта и различных значениях Рвх.

 Зависимость адиабатного КПД-15

Рисунок 3 - Зависимость адиабатного КПД двигателя от Рвх при различной частоте вращения.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.