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 | 3 |

Повышение эффективности использования избыточного давления природного газа на основе рационального выбора системы подогрева

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи







Жигулина Екатерина Валериевна

Повышение эффективности использования избыточного давления природного газа на основе рационального выбора системы подогрева



Специальность 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика





АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук











Москва, 2011 год

Работа выполнена на кафедре Промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Калинин Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Агабабов Владимир Сергеевич

кандидат технических наук, профессор

Субботин Владимир Иванович

Ведущая организация: ООО Научно–технический центр

«Промышленная энергетика»

Защита диссертации состоится «23» июня 2011 года в 15 часов 30 минут в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан: « » 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент Степанова Т.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одним из наиболее перспективных направлений в области энергосбережения при транспорте природного газа является рекуперация энергии избыточного давления на узлах его редуцирования и потребления.

Одним из крупных потребителей природного газа является тепловые электрические станции (ТЭС), на которые природный газ поступает с давлением 0,5-1,2 МПа. Технология дальнейшего его использования требует снижения давления до 0,1-0,2 МПа. Давление снижается на газорегуляторном пункте (ГРП), как правило, путем дросселирования, т.е. энергия избыточного давления газа расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений и таким образом, безвозвратно теряется. Снижение давления природного газа с одновременной выработкой электрической энергии можно осуществить в детандер-генераторном агрегате (ДГА).

Для предотвращения образования конденсата и гидратов в газопроводах и арматуре, а так же для обеспечения потребителей газа топливом требуемой температуры (0-20°С) в большинстве схем применения ДГА газ перед поступлением в детандер подогревается до определённой температуры. Увеличение температуры перед детандером, кроме того, увеличивает его мощность. При установке ДГА на ТЭС имеется возможность использовать для подогрева природного газа различные энергоносители высокого и низкого потенциала, в том числе и вторичные энергоресурсы. Поэтому при выборе схемы подогрева природного газа необходимо дать технико-экономическую оценку общей эффективности каждой схемы.



Анализ научно-технической литературы, показал, что вопрос о выборе наиболее эффективного способа подогрева природного газа с помощью сравнительного термодинамического и технико-экономического исследования изучен не достаточно глубоко. Наиболее полно эти вопросы освещены в работах В.С. Агабабова, Е.В. Джураевой, А.Ю. Архаровой. В большинстве работ оценка эффективности применения ДГА на ТЭС производиться с использованием таких критериев как изменение удельных показателей работы всей станции до и после установки ДГА. Поскольку мощность ДГА на два порядка меньше мощности всей ТЭС, это не позволяет проанализировать влияние различных факторов на технико-экономические показатели ввиду их малости по сравнению с показателями работы основного оборудования ТЭС.

Одним из основных параметров, влияющих на экономичность той или иной схемы применения ДГА на ТЭС, является мощность вырабатаваемая турбодетандером. Поэтому правильное ее определение является обязательным условием корректности проводимых расчетов. Следует ожидать, что расчеты, выполненные по известным уравнениям идеального и идеализированного газа, могут приводить к заметным погрешностям, а допущения 100% содержания метана в природном газе диктуется лишь необходимостью упрощения расчета и возможностью его автоматизации. Погрешности таких упрощений в работах, как правило, не приводятся.

Наша страна является одной из основных газодобывающих стран и обладает большим потенциалом использования энергии избыточного давления природного газа для выработки электричества. По оценкам специалистов на территории РФ существует около 600 объектов – ГРС и ГРП, располагающих условиями для строительства и эксплуатации турбодетандерных агрегатов, которые могут выработать до 15 млрд. кВт*ч энергии в год.

Принимая во внимание непрерывный рост потребления природного газа в России и в мире можно отметить необходимость дальнейшего изучения эффективности внедрения ДГА как на действующих, так и на строящихся ТЭС.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности использования избыточного давления природного газа в ДГА на основе рационального выбора схемы его подогрева, базирующегося на аналитических зависимостях определения параметров с использованием термодинамического, энергетического и экономического анализов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • Разработана методика проведения термодинамического анализа схем применения ДГА, учитывающая изменение параметров ТЭС, связанных с установкой ДГА, позволяющая определить наиболее эффективный вариант подогрева газа с учетом конкретных условий его применения.
  • На основе результатов проведенных термодинамического, энергетического и экономического анализов, представлены рекомендации по выбору наиболее экономичной схемы установки ДГА, в зависимости от влияющих факторов.
  • Проанализированы и обобщены полученные данные о точности расчета удельной работы расширения в ДГА при идеализации природного газа и использовании упрощений и допущений о его составе, и показаны получаемые при этом изменения экономических показателей.
  • Разработана схема установки ДГА на ТЭС, позволяющая увеличить электрическую мощность турбодетандера за счет понижения давления газа за детандером с помощью инжектора.
  • Определено влияние на эффективность подогрева природного газа при применении ДГА числа часов работы пиковых водогрейных котлов, режима работы паровых турбин, удельного расхода топлива на выработку кВт·ч и давления используемого отборного пара.

Практическая ценность.

  • С использованием разработанной методики, сделаны рекомендации, позволяющие определить наиболее экономичную схему применения ДГА в системе газоснабжения ТЭС в зависимости от конкретных условий его применения.
  • Разработаны матрицы h-s для различных составов природного газа, с использованием которых проведены расчеты и получены результаты, позволяющие повысить точность расчетов параметров энергетических систем и установок. Разработана эксергетическая диаграмма свойств метана.
  • Разработана и запатентована схема с использованием ДГА для потребителя природного газа, работающего при наличии избытков природного газа в условиях значительного колебания его расхода.
  • Даны рекомендации по выбору давления отбора паровой турбины для подогрева природного газа перед детандером в зависимости от температурных ограничений, установленных заводом изготовителем ДГА.
  • В дисциплинах, читаемых по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» используются полученные материалы по свойствам природного газа с различным содержанием метана и данные по выбору схем его подогрева при использовании ДГА на ТЭС.

Достоверность и обоснование результатов в значительной степени достигается использованием результатов расчетов реальных свойств природного газа (полученные с использованием программного продукта MIXTURA-15), базирующихся на классических уравнениях состояния. Кроме того, в расчетах частично использованы конкретные результаты опытно-промышленных испытаний ДГА на ТЭЦ-23 г. Москвы, а так же результаты удельных показателей по ряду конкретных установок.

Автор защищает:

  1. Методику расчета эксергетического коэффициента эффективности ДГА, учитывающую влияние ДГА на работу основного оборудования ТЭС.
  2. Полученные результаты термодинамического, энергетического и экономического анализа возможных схем подогрева природного газа при использовании ДГА на ТЭС.
  3. Полученные данные о точности расчета удельной работы расширения в ДГА при идеализации природного газа и использовании упрощений и допущений о его составе, и получаемые при этом изменения экономических показателей.
  4. Полученные в работе данные о выборе давления отбора пара в схеме с подогревом природного газа паром из отборов турбин.

Личный вклад автора заключается:

- в проведении термодинамического, энергетического и экономического анализа возможных схем подогрева природного газа при использовании ДГА на ТЭС;

- в разработке методики расчета эксергетических коэффициентов эффективности ДГА, учитывающей внешние связи с основным оборудованием ТЭС;

- в проведении анализа методов расчета удельной работы расширения природного газа для широкого диапазона давлений и расчете погрешности каждого из методов;

-в проведении анализа изменения основных экономических показателей, вызванных погрешностью определения мощности ДГА;

- в проведении исследования эффективности подогрева природного газа паром различных параметров из отборов турбин.

Апробация и публикации

Результаты работы были представлены на тринадцатой, четырнадцатой, пятнадцатой и шестнадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», на Пятой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика».

Основное содержание работы изложено в 14 публикациях, в том числе в одной статье в реферируемом журнале из перечня ВАК и в описании патента на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 170 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения. Работа содержит 38 рисунка и 34 таблиц, 4 приложения, список использованных источников содержит 99 наименований.

Содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы, дана ее общая характеристика.

В первой главе на основе анализа научно-технической литературы рассматривается состояние вопроса рационального использования энергии избыточного перепада давления природного газа на ГПС, ГРС и ГРП промышленных предприятий с помощью турбодетандерных установок, их технологические схемы и технические данные. Приведены структура потребления газа и возможный экономический эффект от внедрения ДГА в отрасли народного хозяйства России. Показано, что весьма важным является вопрос о выборе источника теплоты для подогрева природного газа в ДГА. Представлен обзор ДГА, работающих в России и странах СНГ, а так же в Европе, Канаде и Америке. Дан обзор научных работ и публикаций об эффективности применения ДГА на ТЭС. Большинство из них содержат расчеты, основанные на идеализации свойств природного газа, а также на предположении, что природный газ состоит только из метана. Эффективность различных схем использования ДГА на ТЭС оценивается авторами с использованием таких показателей как КИТ, КПД всей станции, удельное потребление топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии и т.д. Эти показатели рассчитывались до и после включения ДГА. Были отмечены недостатки таких методик и обоснована необходимость использования таких критериев оценки эффективности различных схем, которые охватывали бы только саму установку ДГА и учитывали влияние ее работы на изменение показателей работы основного оборудования станции.





Завершается первая глава определением цели исследования и тех задач, которые должны быть решены для достижения поставленной цели.

Вторая глава диссертационной работы посвящена определению и анализу погрешностей возникающих при проведении расчетов процесса расширения природного газа в турбодетандерах с использованием известных методик.

Расчеты выполнялись в диапазоне давлений природного газа 0.1-6,0 МПа и температуре газа 290 К, с содержанием метана от 100 до 70%, этана - от 1 до 20%, пропана – от 0,5 до 5%, азота – от 1 до 20%.

Первый способ основан на допущении, что природный газ это идеальный газ, состоящий только из метана. Следовательно, для расчета работы расширения используется уравнение, выведенное из первого закона термодинамики с учетом некоторых допущений, одно из которых - постоянство показателя адиабаты :

(1)

В области значений параметров газа Т=140-400 К и р=0,1-10 МПа показатель адиабаты увеличивается с ростом температуры. Учитывая свойства реального метана, погрешность расчета удельной работы при использовании формулы (1) увеличивается с ростом давления газа и понижением его температуры.

Второй способ основан на допущении, что природный газ это реальный газ, состоящий только из метана. При этом также используется уравнение 1, но с введением поправки на сжимаемость z.

Третий способ подразумевает рассмотрение природного газа как многокомпонентной смеси реальных газов, а в расчетах используется уравнение для идеального газа. Теплоемкость и показатель адиабаты полагаются, как и во всех предыдущих вариантах, величинами постоянными в каждой точке процесса расширения. В действительности это допущение не корректно и ведет к погрешности.

Четвертый способ - это способ, согласно которому природный газ состоит только из метана и обладает свойствами реального газа, но при этом работа расширения в турбине определяется по уравнению:

(2)

Энтальпии и определяются с помощью таблиц термодинамических свойств реального метана или соответствующих диаграмм.

Было показано, что использование этого способа не приводит к появлению значительной погрешности расчетов только при содержании метана не менее 95 %.

Пятый способ подразумевает рассмотрение природного газа как реальную многокомпонентную смесь газов и является методически самым верным. Для расчета работы расширения в турбине используется уравнение 2, однако энтальпии и определяются для реальной смеси газов с помощью специальных программ, рассчитывающих свойства смеси. Автором использовалась программа Mixture-15, апробированная автором с данными результатов экспериментов.

Далее в данной главе рассчитывается и приводится оценка погрешности определения удельной работы для каждого из рассмотренных методов, а также изменения основных экономических показателей эффективности ДГА, вызванные этой погрешностью. Расчетные значения величины работы расширения природного газа в ДГА сравнивались со значениями работ, определенными по методу 5.

На рисунке 1 показаны погрешности расчета удельной работы первых четырех методов. Наименее точным как это видно из графика является первый метод.

 Погрешность расчета удельной-7

Рисунок 1. Погрешность расчета удельной работы первых четырех методов.

Был проведен анализ влияния термодинамических свойств отдельных компонентов на свойства природного газа и установлено, что расчеты по чистому метану смесей с большим содержанием азота приводят к наибольшей погрешности.

В третьей главе были проведены энергетический и термодинамический анализы эффективности подогрева природного газа для следующих схем использования ДГА на ТЭС:

  1. Схема без подогрева природного газа
  2. Схемы с подогревом природного газа:
  1. паром из отборов турбин;
  2. уходящими газами котлов ТЭС;
  3. водой циркуляционного контура станции.

Эти схемы представлены на рисунке 1.

Энергетический анализ эффективности той или иной схемы заключался в определении выработанной ДГА электрической мощности, количества теплоты, подведенной к природному газу в подогревателе газа, количества теплоты, необходимой для подогрева природного газа в топке котла до температуры, которую газ имел бы после дросселирования. Все виды затраченной и произведенной энергии переводились в условное топливо, составлялся энергетический баланс, и рассчитывалась экономия топлива в каждой схеме применения ДГА на ТЭС.

В первой схеме (рисунок 1а) учитывались так же затраты топлива на нагрев холодного воздуха, необходимого для сжигания дополнительного количества газа.

а) схема без подогрева природного газа

в) схема подогрева природного газа паром из отбора турбины на ТЭС

б) схема с подогревом природного газа уходящими газами котлов на ТЭС

г) схема с подогревом газа циркуляционной водой перед конденсатором паротурбинной установки

Рисунок 1. Принципиальные схемы применения ДГА на ТЭС.

1-котел; 2-паровая турбина; 3- электрогенератор; 4- конденсатор; 5- запорная арматура; 6- турбодетандер; 7-подогреватель газа; 8- циркуляционный насос; 9- градирня.

Для схемы подогрева природного газа паром из отборов турбин были рассмотрены два режима работы ТЭС: зимний и летний (конденсационный).

При работе ТЭС в летнем (конденсационном) режиме отборы турбин не загружены и подогрев природного газа осуществляется за счет увеличения его подачи из отборов турбин. В зимнем режиме предполагалось, что ТЭС работает по тепловому графику с максимальным расходом пара на турбины при работе пиковых водогрейных котлов (ПВК) с нагрузкой, меньшей максимальной.

В случае, если температура газа на выходе из ДГА больше 5оС, считалось, что газ вносит в топку дополнительную физическую теплоту. Это также учитывалось как положительный эффект схемы.



Pages:   || 2 | 3 |
 

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.