Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Альрави Аммар И. Ибрагим
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПГУ И СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА ПГУ И ГТУ ДЛЯ ТЕРРИТОРИЙ
С ЖАРКИМ КЛИМАТОМ
Специальность 05.14.01 - Энергетические системыаиакомплексыа
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Иркутск Ц 2012
Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН) и Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете (НИ ИрГТУ)
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
Институт теплофизики СО РАН
Защита состоится 29-го июня 2012 года в 09 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 003.017.01 при Институте систем энергетики им.
.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул.Лермонтова, 130.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им.
Л.А. Мелентьева СО РАН.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета: 664033, г. Иркутск, ул.Лермонтова, 130.
Автореферат разослан 28-го мая 2012 года
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор А. М. Клер
Актуальность проблемы. Энергетические установки, базирующиеся на газотурбинных технологиях, газотурбинные установки (ГТУ) и парогазовые установки (ПГУ) различных типов, находят широкое применение в электроэнергетике многих стран, в том числе и стран с жарким климатом.
Доля газотурбинных станций в энергетике Ирака составляет 77%, остальные мощности приходятся на паротурбинные и гидравлические электростанции.
В настоящее время в Ираке существует нехватка генерирующих мощностей, особенно в летний период, когда растет потребление и снижается максимальная мощность ГТУ.
Существенную роль газотурбинные электростанции играют также в энергетике Ирана, Саудовской Аравии и ряда других стран с жарким климатом
Энергетическая эффективность ГТУ достаточно сильно зависит от температуры воздуха, поступающего на вход компрессора этой установки. С ростом данной температуры происходит снижение КПД и максимальной мощности ГТУ. Указанные обстоятельства значительно уменьшают энергетическую и экономическую эффективность ГТУ, работающих в странах с жарким климатом.
Очевидно, что повышение эффективности ГТУ и ПГУ при работе в условиях высоких температур наружного воздуха имеет важное хозяйственное значение для целого ряда стран.
В связи со сказанным, актуальной является разработка таких технических решений, которые бы сократили отрицательное воздействие высоких температур наружного воздуха на энергетическую и экономическую эффективность энергетических установок, основанных на газотурбинных технологиях.
К таким решениям относятся, в первую очередь, различные способы снижения температуры воздуха на входе в компрессор, а также переход к комбинированным циклам производства электроэнергии (ПГУ различных типов и др.), у которых температура входного воздуха оказывает меньшее влияние на энергетическую эффективность, чем у ГТУ простого цикла.
Вопросам повышения эффективности ГТУ и ПГУ, работающих в условиях высоких температур наружного воздуха, посвящено достаточно много работ, выполненных в разных странах.
Влияние температуры наружного воздуха на максимальную мощность и энергетическую эффективность ГТУ и ПГУ рассмотрено в работах Arrieta R.P., Lora E.S., Nasser A.M., El-Кalay M.A. Авторы проводили поверочные расчеты ГТУ и ПГУ с заранее известными конструктивными характеристиками при различных температурах наружного воздуха. Показано, что при снижении температуры окружающей среды увеличивается как максимальная электрическая мощность, так и энергетическая эффективность выработки электроэнергии. В работах Boonnasa S. , Ameri M., Habbo А. рассматривались вопросы охлаждения наружного воздуха на входе в компрессор ГТУ и ПГУ. Изучались системы охлаждения на основе поверхностных охладителей холодной водой, впрыска воды в воздух, абсорбционных и парокомпрессионных холодильных машин. Thamir K. I., сравнивает испарительное охлаждение, охлаждение с использованием парокомпрессионной и абсорбционной холодильных машин. Автор описывает влияние относительной влажности на эффективность испарительного охлаждения. Изменение мощности газотурбинных электростанций в зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор представлено в работах Ondryas I.S., Wilson D.A., Kawamoto M., и Chiesa P.
Следует отметить, что приведенные работы базируются на вариантных поверочных расчётах технологических схем рассматриваемых теплоэнергетических установок, при их заранее заданных конструктивных характеристиках. Вопросы оптимизации параметров установок, работающих при различных, в том числе высоких, температурах наружного воздуха не рассматриваются. Также не рассматриваются вопросы оптимизации параметров собственно систем охлаждения наружного воздуха.
Исходя из сказанного, целями данной работы являются:
- Разработка подхода к оптимизации параметров ПГУ (на примере ПГУ-STIG), работающей при переменных, в том числе высоких, температурах наружного воздуха.
- Исследование эффективности охлаждения входного воздуха ПГУ и ГТУ:
а) речной водой в поверхностном теплообменниках;
б) за счёт впрыска в цикловой воздух воды с её полным испарением.
- Оптимизация конструктивных и режимных характеристик системы охлаждения, основанной на использовании поверхностных теплообменников, в которых цикловой воздух охлаждается речной водой.
- Сопоставление энергетической и экономической эффективности ПГУ и ГТУ в вариантах:
а) без охлаждения наружного воздуха;
б) с охлаждением воздуха за счёт передачи тепла речной воде в поверхностных теплообменниках;
в) с охлаждением воздуха за счёт впрыска и испарения воды.
Научная новизна:
- Впервые дана постановка и предложен метод решения задачи оптимизации параметров ПГУ (на примере ПГУ-STIG) с учётом работы в условиях изменяющихся температур наружного воздуха. Метод основан на последовательном использовании математических моделей, ориентированных на проведение конструкторских и поверочных расчетов.
- Предложен оригинальный метод оптимизации параметров системы охлаждения наружного воздуха водой в поверхностном теплообменнике, учитывающий влияние этих параметров как на затраты в саму систему охлаждения, так и в энергетическую установку.
- Для условий г. Мосул (Ирак) с использованием разработанных методов проведены сопоставления энергетической и экономической эффективности ПГУ-STIG и ГТУ простого цикла при использовании систем охлаждения наружного воздуха в поверхностных теплообменниках и систем охлаждения воздуха за счет впрыска воды.
Практическая ценность работы: заключается в возможности использовании разработанной методики на стадии проектирования новых парогазовых электростанций или реконструкции существующих газотурбинных электростанций в условиях жаркого климата. Причём разработанная методика позволяет учесть климатические характеристики конкретной местности.
Апробация работы: Результаты диссертационных исследований обсуждались на:
- Всероссийских научно-практических конференциях Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири (Иркутск: ИрГТУ, 2010, 2011,2012 г.г.)
- конференциях-конкурсах научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2010,2011,2012г.г.)
Публикации Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных изданиях, из которых одна публикация в издании, входящем в перечень рекомендуемых изданий ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (85 наименований) и приложения. Общий объем работы 108 стр., в том числе 8 рисунков, 21 таблица, список литературы на 9 страницах и приложения на 16 страницах.
Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации проблемы, определена цель работы, дана ее краткая характеристика.
В первой главе говорится о методах повышения эффективности ГТУ и ПГУ, используемых в условиях жаркого климата. Показывается преимущество парогазовых установок с впрыском пара в камеру сгорания (STIG) как наиболее перспективных ПГУ с точки зрения технико-экономических показателей для районов жаркого климата. Дается обзор работ по исследованию влияния видов охлаждения воздуха на входе в компрессор на энергетическую и экономическую эффективность ПГУ и ГТУ. Описываются работы разных авторов при исследовании ПГУ и ГТУ с учетом различных систем охлаждения наружного воздуха: абсорбционных холодильных машин, фреоновых холодильных машин, испарительного охлаждения, охлаждением впрыском, охлаждение в поверхностных теплообменниках.
На основе проанализированных работ различных авторов по этим системах охлаждения делаются выводы.
1) эффективность впрыска воды и испарительного охлаждения в меньшей степени зависит от термодинамических параметров цикла ГТУ или ПГУ, чем охлаждение воздуха в холодильных машинах, в то время как изменение параметров цикла ГТУ и ПГУ при использовании холодильных машин может привести к изменению вырабатываемого тепла на выходе из газовой турбины, влияя тем самым на уровень охлаждения воздуха;
2) максимально достижимый уровень поднятия мощности с помощью систем впрыска воды составляет 17,7%, а максимальное повышение мощности с помощью холодильных машин - 20 %;
3) применение холодильных машин может приводить к снижению КПД установки при одновременном повышении мощности. Установки систем испарительного охлаждения или впрыска при тех же условиях и менее значительном росте мощности к снижению КПД не приводят;
4) срок окупаемости систем охлаждения наружного воздуха впрыском воды существенно ниже, чем систем охлаждения на основе холодильных машин, что может делать систему впрыска воды или испарительного охлаждения рентабельнее некоторых видов холодильных машин при определенных климатических условиях;
5) охлаждение воздуха в поверхностных теплообменниках является более эффективным по увеличению мощности установки, чем системы на основе впрыска воды, но сравнение этих двух систем охлаждения по экономической эффективности в литературе не приводится.
На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что системы охлаждения воздуха в поверхностных теплообменниках и охлаждения впрыском воды являются конкурентоспособными по экономической эффективности с остальными системами охлаждения и заслуживают специального исследования на оптимизационных моделях.
Во второй главе дана постановка задачи оптимизации ПГУ с учётом переменной температуры наружного воздуха.
Температура наружного воздуха и его влажность зависят от географического места расположения электростанции, месяца, часа суток и ряда других факторов. Как правило, для конкретного местоположения имеются статистические данные, содержащие средние значения температур и относительных влажностей наружного воздуха для различных месяцев и часов суток. На основании этих данных можно сформировать несколько характерных сочетаний температуры и влажности наружного воздуха, поставив в соответствие каждому сочетанию его продолжительность в году. Отметим, что сумма продолжительностей всех сочетаний должна равняться 8760 ч. т.е. продолжительности года.
Наличие указанных сочетаний температур и влажностей и их продолжительностей позволяет, проведя расчёты режимов работы энергоустановки (ГТУ или ПГУ) при соответствующих температурах и влажностях наружного воздуха, определить часовой расход топлива, электрическую мощность, годовой расход топлива и годовой отпуск электроэнергии.
В работах ИСЭМ СО РАН предложены различные подходы для оптимизации энергоустановок с учётом переменных условий работы. При этом рассматривались теплофикационные ПГУ, ГТУ и теплонасосные установки, переменный характер режимов которых связан с переменным характером отопительной нагрузки в течение года. Разработаны математические модели элементов для системы машинного построения программ, которая позволяют строить модели для поверочных и конструкторских расчетов установок. Эти модели были использованы автором при выполнении диссертационных исследований.
Предложенные, в ИСЭМ СО РАН, подходы базируются на сочетании конструкторского расчёта установки при номинальных тепловых и электрических нагрузках и серии поверочных расчётов при частичных нагрузках. Были рассмотрены методы решения оптимизационной задачи, использующие единую подробную модель, ориентированную на один конструкторский и серию поверочных расчётов, когда конструктивные характеристики (площади поверхностей нагрева теплообменников, номинальные расходы, входные и выходные давления турбомашин и др.) передаются в поверочные расчёты. Эта модель непосредственно используется для решения комплексной задачи нелинейного математического программирования, где оптимизируются как конструктивные параметры, так и параметры, определяющие режимы при различных нагрузках. Эти методы обеспечивают нахождение наилучших решений, но требуют больших трудозатрат на построение модели и значительных вычислительных ресурсов для оптимизации.
Другие методы основаны на раздельном использовании моделей, ориентированных на конструкторские и поверочные расчёты. На первом этапе использования этих методов проводится оптимизация параметров установки при рассмотрении одного (номинального) режима работы. В этом случае решается несколько оптимизационных задач с различным сочетанием внешних исходных данных. Причём эти данные следует подобрать так, чтобы лохватить область оптимальных решений. В результате получается несколько наборов конструктивных характеристик установки, среди которых следует выбрать наилучший. Для этого при каждом наборе конструктивных характеристик проводится серия поверочных расчётов в характерных режимах, определяются годовые расходы топлива, отпуски энергии и показатели экономической эффективности. Вариант конструктивных характеристик с наилучшими показателями экономической эффективности выбирается в качестве оптимального. Эти методы не позволяют найти точного оптимума, но являются гораздо более простыми и менее трудоёмкими, чем методы, основанные на использовании точных комплексных моделей. Именно эти методы взяты за основу в настоящей работе. Ниже дается постановка задачи оптимизации параметров теплоэнергетической установки, работающей при переменных температурах наружного воздуха. Эта постановка предложена автором совместно с научным руководителем.
Применительно к рассматриваемым в работе задачам в качестве переменных внешних исходных данных приняты температура наружного воздуха на входе в компрессор и цена топлива. При поверочных расчётах характерных режимов полагается, что установка работает в базовой части графика электрической нагрузки и загружается до максимально-возможной мощности.
Этапы задачи оптимизации ПГУ могут быть сформулированы следующим образом.
I этап. Требуется решить R задач вида
(1)
при условиях
, (2)
, (3)
, (4)
, (5)
, (6)
, (7)
, (8)
где - цена электроэнергии, обеспечивающая заданный уровень внутренней нормы возврата капиталовложений ; - годовой расход топлива установкой; - капиталовложения в установку; - годовой отпуск электроэнергии; - цена топлива для -ого набора внешних исходных данных; - вектор экономических условий (ставка налога на прибыль, ставка амортизационных отчислений, доля условно-постоянных издержек от капиталовложений и др.); - n-мерная векторная функция ограничений-равенств (уравнения материального и энергетического балансов, теплопередачи, свойств рабочих тел и др.); - n-мерный вектор вычисляемых переменных (расходы, давления, температуры или энтальпии рабочих тел и теплоносителей в различных точках технологической схемы и др.); - вектор независимых оптимизируемых параметров (включает величины, определяющие конструктивные характеристики установки: расход топлива в камеру сгорания газовой турбины, давление воздуха на выходе из компрессора, температуру продуктов сгорания перед газовой турбиной, расход, давление и температуру пара на входе в камеру сгорания ПГУ-STIG, энтальпию воды на выходе из экономайзера котла-утилизатора ПГУ-STIG и др.); - температура наружного воздуха на входе в компрессор при -ом сочетании внешних исходных данных; - вектор постоянных внешних условий функционирования (давление воздуха на входе в компрессор, энтальпия воды на входе в экономайзер котла утилизатора и др.); - векторная функция ограничений-неравенств (ограничения на предельно допустимые температуры и механические напряжения металла труб теплообменников котла-утилизатора и др.); - -ый компонент вектора , соответствующий расходу топлива в камеру сгорания; - число часов использования установленной мощности; - l-ый компонент вектора y, равный полезной электрической мощности установки; - вектор удельных стоимостей элементов установки, включающий стоимость единицы мощности газовой турбины, стоимость единицы мощности воздушного компрессора, стоимость теплообменников на единицу массы и др. - вектор конструктивных характеристик установки.
Обозначим оптимальные решения (вектор оптимизируемых параметров) R задач I-ого этапа через , а соответствующие им вектора через .
Этап II. Для каждого -ого оптимального набора конструктивных характеристик (), полученного на I-ом этапе, решается J оптимизационных задач по определению максимальной мощности ПГУ в характерных режимах с различными сочетаниями температуры и влажности воздуха на входе в компрессор.
(9)
при условиях
, (10)
, (11)
, (12)
где - максимально-возможная полезная мощность установки; - расход топлива в камеру сгорания газовой турбины в j-ом режиме; - температура и относительная влажность воздуха на входе в компрессор; - вектор зависимых параметров при поверочном расчёте; - l-ый компонент вектора , равный полезной мощности установки; - векторная функция ограничений-равенств при поверочном расчёте; - векторная функция ограничений-неравенств при поверочном расчёте; - минимально-возможный и максимально-возможный расход топлива.
Отметим, что основным ограничением-неравенством, влияющим на максимально-возможную мощность ПГУ, является ограничение на предельно-допустимую температуру газа перед газовой турбиной.
Этап III. Для каждого из решений, полученных на I-ом этапе, определяется показатель экономической эффективности (цена электроэнергии при заданном значении внутренней нормы возврата капиталовложений ). Этот показатель определяется на базе оптимизационных расчётов, проведённых на II-ом этапе.
Годовой расход топлива и годовой отпуск электроэнергии определяются из выражений
, (13)
, (14)
где - продолжительность j-ого характерного режима в году; - коэффициент готовности.
Цена электроэнергии определяется из выражения
, (15)
где - капиталовложения в ПГУ для -ого варианта; - фактическая цена топлива. В качестве оптимального варианта принимается такой вариант , для которого , .
Рассмотрим применение изложенного подхода к задаче оптимизации параметров ПГУ-STIG (рис.1), работающей в климатических условиях г. Мосул (Ирак).
В таблице 1 представлены данные по девяти характерным режимам, полученные на основе обработки климатической информации (температуры, относительные влажности воздуха и температуры воды в реке Тигр).
Рис 1. Технологическая схема оптимизируемой ПГУ-STIG 1 - воздушный компрессор, 2 - камера сгорания, 3 - газовая турбина, 4 пароперегреватель котла-утилизатора, 5- испаритель котла-утилизатора,6 - экономайзер котла-утилизатора , 7,8 - водяные насосы, 9 - барабан-сепаратор, 10 - паровая турбина.
Таблица 1. Климатические данные характерных режимов.
Наименование | Характерные режимы | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
Темп. наружного воздуха, К | 275,5 | 280,5 | 285,5 | 290,5 | 295,5 | 300,5 | 305,5 | 310,5 | 315,5 |
Температура воды в р. Тигр, К | 283,7 | 285,2 | 284,1 | 288,3 | 286,8 | 288,7 | 288.6 | 289.1 | 287.7 |
Относи. влажность воздуха, % | 89 | 82,0 | 69,4 | 56,6 | 45,8 | 31,8 | 27,00 | 19,42 | 16,75 |
Продолжительность в году, ч | 459 | 1536 | 1539 | 1284 | 1095 | 1014 | 825 | 636 | 372 |
Оптимизационные расчеты ПГУ-STIG проводились в соответствии с изложенным выше подходом и включали две последовательных стадии. На первой стадии, при фиксированной цене топлива (100 долл./т.у.т.) решались 5 задач (1)-(8) при температурах наружного воздуха, соответствующих температурам пяти выбранных характерных режимов. В результате решения было определено 5 наборов оптимизируемых параметров, конструктивных характеристик и капиталовложений ПГУ. Затем для каждого набора проводились поверочные расчеты в каждом характерном режиме (задачи (9)-(12)) с определением максимальной полезной электрической мощности и расхода топлива. На основе этих данных из выражений (13)-(15) определялись годовые расходы топлива, отпуски электроэнергии и цены электроэнергии.
Основные технико-экономические показатели рассмотренных вариантов представлены в таблице 2.
Таблица 2.Основные технико-экономические показатели вариантов (стадия 1).
Наименование | Вариант/температура наружного воздуха, К | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
275,5 | 285,5 | 295,5 | 305,5 | 315,5 | |
Капиталовложения, тыс. дол. | 41043 | 41366 | 43948 | 42251 | 42574 |
Годовой расход топлива ,т.у.т | 263194 | 262222 | 252790 | 262432 | 261172 |
Годовой отпуск электроэнергии, млн. кВт .ч | 868,741 | 864,752 | 870,183 | 864,406 | 866,971 |
Цена электроэнергии, цент/кВт .ч | 4,86 | 4,88 | 4,804 | 4,92 | 4,89 |
Как видно наименьшая цена электроэнергии соответствует варианту 3 (температура наружного воздуха 295,5 К, при=0,15).
На следующей стадии температура наружного воздуха для всех вариантов принимается равной оптимальной температуре 295,5 К. Рассматривается 6 вариантов, отличающихся ценой топлива (1-100 дол./т.у.т., 2-150 дол./т.у.т., 3-200 дол./т.у.т., 4-250 дол./т.у.т.,5-300 дол./т.у.т., 6-370 дол./т.у.т.)
Для этих вариантов решаются задачи (1)-(8), затем для каждого из полученных наборов конструктивных характеристик решается по 9 задач (9)-(12), определяются годовые показатели и цены электроэнергии, обеспечивающие заданное значение внутренней нормы возврата капиталовложений. Следует отметить, что эти цены электроэнергии определяются при одинаковой цене топлива равной 100 дол./т.у.т. Основные технико-экономические показатели этих вариантов представлены в табл. 3.
Таблица 3.Основные технико-экономические показатели вариантов (стадия 2).
Наименование | Вариант/цена топлива (дол./ т.у.т) | |||||
1/100 | 2/150 | 3/200 | 4/250 | 5/300 | 6/370 | |
Капиталовложения, млн. дол. | 43,948 | 43,957 | 45,319 | 47,254 | 50,017 | 52,036 |
Годовой расход топлива т.у.т. | 252790 | 253101 | 244237 | 237943 | 231738 | 228962 |
Годовой отпуск электроэнергии, млн. кВт .ч | 870,183 | 870,217 | 868,824 | 867,951 | 869,015 | 868,037 |
Цена электроэнергии, цент/кВт .ч | 4,804 | 4,81 | 4,736 | 4,712 | 4,703 | 4,731 |
Как видно оптимальным вариантом является вариант 5. Результаты расчетов ПГУ при оптимальных для этого варианта параметрах представлены в таблице 4.
Таблица 4. Результаты конструкторского расчёта оптимального варианта в номинальном режиме.
Наименование | Значение |
Конструкторский расчет | |
Температура газа перед газовой турбиной, К | 1373 |
Давление газа перед турбиной, МПа | 1,216 |
Расход продуктов сгорания, кг/с | 194,2 |
Расход пара на входе в паровую турбину, кг/с | 35,77 |
Давление пара на входе в паровую турбину, МПа | 9,62 |
Температура пара на входе в паровую турбину, К | 807 |
Мощность газовой турбины, МВт | 141,19 |
Мощность компрессора, МВт | 57,33 |
Мощность паровой турбины МВт | 16,22 |
Полезная мощность установки МВт | 100,0 |
Площадь поверхности нагрева котла-утилизатора, | 11308 |
Температура уходящих газов, К | 406 |
КПД нетто | 0,463 |
В третьей главе проводятся оптимизационные исследования параметров схем ПГУ и ГТУ с охлаждением воздуха на входе в компрессор. Как уже отмечалось, основными наиболее простыми способами такого охлаждения являются использование: поверхностного теплообменника, в котором вода (как правило, речная) охлаждает воздух; теплообменника смешивающего типа, в котором происходит смешение воздуха с водой, которая в свою очередь полностью испаряется. Необходимым условием применимости первого способа охлаждения является наличие водоема, температура воды в котором ниже температуры воздуха (как минимум в жаркий период года), а второго способа охлаждения - достаточно низкая относительная влажность воздуха. Следует отметить, что условия работы указанных теплообменников будут различными для различных характерных режимов из-за изменения температуры и влажности воздуха.
Для выбора оптимальных конструктивных характеристик поверхностного теплообменника необходимо провести его конструкторский расчет в номинальном режиме и девять поверочных расчетов в характерных режимах. В этих расчетах при формировании энергетических балансов необходимо учитывать тепло, выделяющееся при конденсации (если она происходит) водяных паров, содержащихся в воздухе. В свою очередь для этого при известных температуре, давлении, и составе воздухо-водяной смеси требуется определить содержание в этой смеси жидкой и паровой фаз H2О в условиях термодинамического равновесия. Такой расчет делается на основании следующих выражений (при условии, что , , учитывающем, что парциальное давление водяных паров в смеси не может превышать давление насыщения, определенное при температуре смеси; при этом давление водяных паров определяется из закона Дальтона).
Математическая модель поверхностного теплообменника содержит следующих зависимости
, (16)
, (17)
, (18)
, (19)
, (20)
, (21)
, (22)
, (23)
, (24)
, (25)
где , - давление и температура воздухо-водяной смеси; , - критические давление и температура воды; - массовый расход воды, - массовый расход сухого воздуха; - мольный расход воды; - мольный расход воздуха; , - молекулярные массы воды и сухого воздуха; - функция давления насыщения () водяных паров от температуры; - предельное парциальное давление водяных паров в случае полного испарения воды; - фактическое (равновесное) парциальное давление водяных паров; - мольный расход водяного пара в условиях равновесия (паровая фаза); - мольный расход жидкой фазы воды; , - мольные расходы воды в паровой и жидкой фазах; - относительная влажность воздуха (в %).
Энтальпия воздушно-водяной смеси, характеризующейся массовыми расходами и , давлением и температурой определяется из выражения
, (26)
где - удельная энтальпия сухого воздуха при температуре ; - удельная энтальпия водяного пара при температуре и давлении ; - удельная энтальпия воды в жидкой фазе при температуре и давлении ( рассчитывается только в том случае, если при указанных условиях существование жидкой фазы возможно).
На основе выражения (26) может быть построен энергетический баланс водо-воздушного теплообменника следующего вида
, (27)
где - температуры воздухо-водяной смеси на входе и выходе теплообменника; - расход охлаждающей воды; - удельная теплоемкость воды; - температура охлаждающей воды на входе в теплообменник и на выходе из него; - коэффициент потерь тепла теплообменника.
Уравнение для теплопередачи имеет вид
, (28)
где - площадь поверхности теплообмена (со стороны воздуха); - коэффициент теплопередачи, - логарифмический температурный напор.
Следует отметить, что зависит от конструктивных характеристик теплообменника (площади поверхности теплообменника, проходного сечения по воздуху и воде, продольного и поперечного шагов труб, а также их внутреннего и внешнего диаметров и др.).
Кроме того, количество передаваемого тепла зависит от расхода охлаждающей воды, а от конструктивных характеристик теплообменника (и от расхода воздуха) зависит его аэродинамическое сопротивление.
Возникает задача оптимизации конструктивных характеристик теплообменника, совместно с оптимизацией расходов охлаждающей воды в характерных режимах. При решении этой задачи должны учитываться как затраты собственно по теплообменнику (капиталовложения, расходы энергии на перекачку воды и др.), так и изменения расхода топлива и максимальной мощности энергоустановки в связи с изменением давления и температуры воздуха на входе в компрессор в характерных режимах.
Поскольку температуры и давления воздуха на входе в компрессор имеют относительно небольшие изменения, учет их влияния на максимальную мощность энергоустановки и соответствующий ей расход топлива можно провести с использованием линеаризированных зависимостей вида
, (29)
, (30)
где , - максимальная мощность энергоустановки в -ом характерном режиме при давлении воздуха на входе в компрессор и температуре , - соответствующий указанной мощности расход топлива при тех же условиях (,); - частная производная максимальной мощности по температуре входного воздуха в -ом характерном режиме (все частные производные определяются конечно-разностным способом); - частная производная максимального расхода топлива по температуре входного воздуха в -ом режиме; - частная производная максимальной мощности по входному давлению воздуха в -ом характерном режиме; - частная производная максимального расхода топлива по входному давлению воздуха -ом режиме. , - температура и давление воздуха в -ом режиме, при расчете установки без учёта охлаждения, , - максимальные мощность и расход топлива в -ом режиме, характерном при расчете установки без учета охлаждения.
Капиталовложения в установку с системой охлаждения определяются как сумма капиталовложений в установку без охлаждения и капиталовложений в теплообменник и другие элементы системы охлаждения воздуха.
Поскольку модели конструкторского и поверочного расчета теплообменника достаточно простые, а влияние параметров воздуха на выходе из теплообменника на показатели экономичности установки могут учитываться с помощью линейных зависимостей (29) и (30), то для оптимизации теплообменника можно использовать единую математическую модель, содержащую как конструкторский, так и поверочные расчеты. При этом целевой функцией данной задачи будет минимум цены электроэнергии установки в целом.
Задача оптимизации параметров системы охлаждения воздуха формулируется следующим образом.
, (31)
при условиях
(32)
(33)
, (34)
, (35)
, (36)
, (37)
(38)
(39)
, (40)
, (41)
, (42)
, (43)
, (44)
, (45)
, (46)
,
где - цена электроэнергии ПГУ с учетом дополнительных затрат в систему охлаждения и повышения эффективности установки; - годовой расход топлива; - суммарные капиталовложения в ПГУ и систему охлаждения; - годовой полезный отпуск электроэнергии; - цена топлива; - вектор оптимизируемых параметров теплообменника при конструкторском расчёте (проходное сечение по воздуху, поперечный шаг труб, расход воздуха, расход охлаждающей воды, температура воздуха после охлаждения); - вектор вычисляемых переменных при конструкторском расчёте (площадь теплопередающей поверхности, масса труб, число рядов труб по ходу воздуха, давление воздуха на выходе и др.); - вектор конструктивных характеристик теплообменника (часть его компонент совпадает с вектором , а часть с компонентами вектора ); - векторная функция ограничений-равенств (включает уравнения энергетического баланса, теплопередачи, аэродинамического и гидравлического сопротивлений и др.); - векторная функция ограничений-неравенств (включает ограничения на неотрицательность концевых температурных напоров и др.); - вектор постоянных исходных данных при конструкторском расчете (давление, температура и влажность наружного воздуха, температура охлаждающей воды и др.); - вектора, компоненты которых задают минимальные и максимальные значения компонентов вектора ; - капиталовложения в ПГУ без системы охлаждения, - капиталовложения в системы охлаждения; - те же вектора и векторные функции, что и описанные ранее с надстрочным индексом T, но для поверочного расчёта в - ом характерном режиме; - расход охлаждающей в -ом режиме; - максимально возможный расход охлаждающей воды; - мощность, затрачиваемая на перекачку охлаждающей воды в -ом режиме; - температура, давление и относительная влажность воздуха на выходе из системы охлаждения; - продолжительность -ого характерного режима; - коэффициент готовности ПГУ; - вектор, включающий значения расхода топлива, максимальной полезной мощности и производных этих величин по давлению и температуре наружного воздуха в характерных режимах работы ПГУ без охлаждения воздуха; - вектор, включающий давление, влажность, температуру наружного воздуха, температуру охлаждающей воды и мольный расход воздуха на ПГУ, работающей без системы охлаждения для -ого характерного режима.
При решении задачи (31)-(46) характерные режимы, в которых температура воды не достаточно низкая для охлаждения воздуха рассматриваются без учёта работы системы охлаждения. Расход воздуха на входе в систему охлаждения в каждом характерном режиме подбирается таким, чтобы обеспечить тот же мольный расход в компрессор, что и при отсутствии системы охлаждения.
После того как задача (31)-(46) решена и определены параметры воздуха на выходе системы охлаждения, проводятся поверочные расчеты ПГУ при этих параметрах воздуха, поступающего в компрессор. На основе этих расчётов уточняются годовые расход топлива, отпуск электроэнергии и цена электроэнергии ПГУ.
Эта уточненная цена используется для оценки эффективности системы охлаждения.
Для расчетов поверхностного теплообменника необходимо знать среднюю температуру воды для каждого характерного режима. Эти температуры для р. Тигр в районе г. Масул, полученные в результате обработки климатической информации, представленны в таблице 1.
Схема включения поверхностного теплообменника представлена на рис. 3.
Рис 3. Схема включения поверхностного теплообменника.
1 - водо-воздушный теплообменник, 2 - насос, 3 - сепаратор для отделения воды от влажного воздуха.
Итоговые показатели ПГУ с системой охлаждения воздуха в поверхностном теплообменнике составили: годовой расход топлива 136600 т.у.т., годовая выработка электроэнергии 873,878млн. кВт.ч, капиталовложения в теплообменник 423 тыс. долл., суммарные капиталовложения 50440 тыс. долл., цена электроэнергии 4,711 цента.
Другой способ охлаждения воздуха связан с предварительным впрыском воды в воздух (рис. 4) и её полном испарении до поступления воздуха в компрессор.
Расчёт основан на подборе впрыска таким образом, чтобы относительная влажность воздуха после полного испарения воды была несколько меньше 100% (в расчетах принято 99%). При этом из уравнения теплового баланса определяется температура воздуха на входе в компрессор. Проведя при полученных условиях (температурах, давлениях и влажностях) поверочные расчёты (9)-(10) в характерных режимах, можно определить в них максимальную мощность и расходы топлива, годовые показатели и цену электроэнергии.
Рис .4. . Схема охлаждения наружного воздуха ГТУ впрыском воды ;1 - система подготовки воды, 2 - бак-аккумулятор, 3 - насос , 4 система очистки воздуха, 5 система распыления(впрыска) воды,6-компрессор газовой турбины, 7 камера сгорания, 8 - газовая турбина
В таблице 5 представлены итоговые показатели вариантов ГТУ и ПГУ.
Как видно из таблицы 5, среди вариантов ГТУ наибольший экономической эффективностью обладает ГТУ с охлаждением воздуха в поверхностном теплообменнике.
Среди вариантов ПГУ наиболее эффективный вариант с охлаждением воздуха впрыском. Охлаждение воздуха ПГУ с использованием поверхностного теплообменника экономически неэффективно, что связано с высокой стоимостью теплообменника и слабым влиянием температуры входного воздуха на максимальную мощность ПГУ. Как видно из результатов работы, экономическая эффективность любого рассмотренного варианта ПГУ существенно выше экономической эффективности любого варианта ГТУ.
Следует отметить, что капиталовложения в ПГУ-STIG ниже, чем в ГТУ за счёт снижения мощности компрессора газовой турбины при той же полезной мощности установки.
На рис. 5 и 6 показано изменение мощности для ГТУ и ПГУ при использовании разных видов охлаждения. Как видно уменьшение максимальной мощности ГТУ с увеличением температуры наружного воздуха гораздо больше чем максимальной мощности ПГУ.
Для оценки абсолютных значений экономического эффекта от организации охлаждения наружного воздуха ГТУ и ПГУ и перехода от ГТУ к ПГУ в таблице 6 представлена стоимость одного и того же количества электроэнергии (в качестве которого принято годовое производство электроэнергии ГТУ без охлаждения наружного воздуха), определяемая при ценах электроэнергии, представленных в таблице 5.
Абсолютный экономический эффект для каждого варианта определяется как разность стоимости электроэнергии вариантов ГТУ без охлаждения и данного варианта.
Таблица 5. Итоговые показатели вариантов ГТУ и ПГУ.
Наименование | Без охлаждения воздуха | С охлаждением воздуха речной водой | С охлаждением воздуха впрыском | |
Годовой отпуск электроэнергии, кВт.ч | ГТУ | 831940095 | 853538772 | 845859546 |
ПГУ | 869015178 | 873878643 | 876175884 | |
Годовой расход топлива, т.у.т. | ГТУ | 166847,8 | 160377,2 | 169135,7 |
ПГУ | 135712,3 | 136600,3 | 136949,6 | |
Капиталовложения, тыс. дол. | ГТУ | 62815 | 63929 | 62865 |
ПГУ | 50017 | 50440 | 50062 | |
Цена электроэнергии при заданной внутренне норме возврата капиталовложений, цента /кВт.ч | ГТУ | 6,08 | 5.8 | 6.03 |
ПГУ | 4,70 | 4.71 | 4,69 | |
Таблица 6. Абсолютная экономическая эффективность вариантов.
Наименование | ГТУ | ||
Без охлаждения | С охл. в поверхностном теплообменнике | С охлаждением впрыском | |
Стоимость электроэнергии тыс. дол. | 50582 | 48253 | 50166 |
Экономический эффект, тыс. дол. | 0 | 2329 | 416 |
ПГУ | |||
Стоимость электроэнергии тыс. дол. | 39101 | 39184 | 39018 |
Экономический эффект, тыс. дол. | 11480 | 11397 | 11563 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Разработан метод оптимизации ПГУ с учётом переменных температур наружного воздуха. Метод включает три этапа. На первом этапе формируются (с использованием оптимизационных задач на моделях ПГУ ориентированных на конструкторский расчет) сопоставляемые варианты конструктивных характеристик установки. На втором этапе проводятся поверочные расчеты установки в нескольких характерных режимах с различными температурами наружного воздуха, полученными на основе анализа климатических данных. На третьем этапе определяются основные технико-экономические показатели каждого варианта и находится оптимальный вариант. В качестве критерия эффективности при оптимизации используется цена электроэнергии, обеспечивающая заданное значения внутренней нормы возврата капиталовложений.
2) Созданы математические модели систем охлаждения воздуха перед компрессором: для охлаждения воздуха в поверхностном теплообменнике и для охлаждения воздуха впрыском воды. При расчете системы охлаждения воздуха в поверхностном теплообменнике водой определяется требуемая площадь поверхности теплообмена, при этом учитывается возможное увеличение относительной влажности воздуха на выходе из системы охлаждения и возможность конденсации части содержащихся в этом воздухе водяных паров. При расчете системы охлаждения впрыском определяется количество впрыскиваемой воды, при полном испарении которой достигается заданное значение относительной влажности воздуха на выходе из системы охлаждения.
3) Разработан метод оптимизации конструктивных параметров поверхностного теплообменника системы охлаждения воздуха с учетом изменения температуры и влажности наружного воздуха и температуры охлаждающей воды в течении года. Метод позволяет учесть влияние этих параметров как на затраты в саму систему охлаждения, так и в энергетическую установку.
4) С использованием разработанного подхода проведена оптимизация ПГУ-STIG для условий города Мосул (Ирак). Проведено сопоставление экономической эффективности способов охлаждения воздуха на входе в компрессор с использованием поверхностного теплообменника и впрыска воды. Показано что ПГУ-STIG имеет существенно более высокую эффективность, чем ГТУ простого чикла при этом для ПГУ наиболее эффективной системой охлаждения является система охлаждения впрыском, а для ГТУ наиболее эффективной системой охлаждения является система охлаждения с поверхностным теплообменником.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Научная статья, опубликованная в издании, рекомендованном в перечне ВАК РФ.
1- Альрави А.И. Ибрагим, Сушко С.Н., Клер А.М. Оптимизация параметров ПГУ с учётом переменных, в том числе высоких температур наружного воздуха // Иркутск 2012. Вестник ИрГТУ, выпуск № 4(63) с. 157-163 ISSN -1814-3520
Публикации в других изданиях
2- Альрави А.И.Ибрагим Учет влияния температур наружного воздуха при оптимизации параметров ПГУ. // Иркутск 2012. Материалы Всероссийской научно-практической конференции повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, с. 243-247
3- Альрави А.И. Ибрагим, Клер А.М. Исследованиеакомбинированной парогазовой установки типаа(STIG),асасистемой охлажденияавоздуха. // Иркутск 2011. Материалы Всероссийской научно-практической конференции повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, с. 101-109
4- Альрави А.И. Ибрагим Модификация комбинированной парогазовой установки типа (STIG), использующей системы воздушного охлаждения. // г. Иркутск 2011. Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН с 111-117.
5- Al-Rawy A.Y.I, Kler A.M. Modification of a combined gas and steam turbine (STIG) power plant using evaporation cooling system. // Иркутск 2010. Материалы Всероссийской научно-практической конференции повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, с. 188-195
6- Al-Rawy A.Y.I, Ambient air temperature treatment effect on the combined gas-steam power performance. // г. Иркутск 2010. Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН с 141-145.
Соискатель : А. И. И. Альрави
ицензия ИД No 00639 от 05.01.2000. Лицензия ПЛД No 40-61 от 31,05,1999
Бумага писчая формат 60х84 1/16
Офсетная печать Печ. л.1,33
Тираж 100 экз. Заказ No 89.
Отпечатано полиграфическим участком ИСЭМ СО РАН
664033, г. Иркутск, ул.Лермонтова, 130.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям