№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.484/.486
ОЦЕНКА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЕЙ УСТАНОВОК БЕСТОПЛИВНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ОДНО- И ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ И ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
© 2014 г. АГАБАБОВ В.С., БАЙДАКОВА Ю.О.
Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт (ВТИ), г. Москва
E-mail: vti@vti.ru
Замена дросселирования на станциях технологического понижения давления газа детандер-генераторной технологией позволяет вырабатывать электроэнергию, используя технологический перепад давлений транспортируемого газа. Недостаток такого способа генерации электроэнергии — существенное охлаждение газа на выходе из детандера, что вызывает необходимость его подогрева. В качестве источника энергии для подогрева газа возможно использование низкопотенциальной теплоты, потенциал которой повышается с помощью теплонасосных установок (ТНУ). При этом часть вырабатываемой детандер-генераторным агрегатом (ДГА) электроэнергии необходимо затратить для обеспечения работоспособности ТНУ [1]. Поскольку сжигания органического топлива не требуется, генерация электроэнергии таким способом является бестопливной, это позволяет сократить затраты топлива на генерацию электроэнергии и эмиссию CO2 и NO^. Применение таких установок возможно на промышленных предприятиях — крупных потребителях природного газа и на тепловых электростанциях.
Ключевые слова: детандер-генераторный агрегат, теплонасосная установка, низкопотенциальная теплота, технологический перепад давлений природного газа.
ASSESSMENT OF THERMODYNAMIC AND ECONOMIC EFFICIENCY PLANTS FUELLESS ELECTRICITY GENERATION BASED ON SINGLE- AND TWO-STAGE EXPANSION GENERATING UNITS AND VAPOR COMPRESSION HEAT PUMPS
Agababov V. S., Baydakova Y.O.
Russian All-Thermal Engineering Research Institute (VTI), Moscow E-mail: vti@vti.ru
Replacing throttle stations technological decompression gas expander-generator technology allows to generate electricity using technological pressure drop of the gas transported. The disadvantage of this method of generating electricity is significant cooling of the gas at the outlet of the expander, which necessitates its heating. As an energy source for heating the gas is possible to use low-grade heat, which increases the potential of using the heat pump units (HPU). In this portion of its output expander — generator set (DGA) of electricity must be expended to ensure efficiency heat pump. Since the burning of fossil fuels is not required, the electricity generation is fuel-free manner, thus reducing not only the cost of
fuel for generation of electricity but also the emissions of CO2 and NO^. The use of such systems may in industry — the largest consumer of natural gas, as well as thermal power plants.
Key words: expander-generator unit, heat pump system, low-grade heat, technological pressure drop of natural gas.
В настоящей работе рассмотрены установки бестопливной генерации электроэнергии на основе одно- и двухступенчатых детандер-генераторных агрегатов (ДГА) с па-рокомпрессионными теплонасосными установками (ТНУ) и проведен анализ их термодинамической и экономической эффективностей.
Схемы предлагаемых к сравнению установок представлены на рис. 1 и 2.
В работах [1, 2] показано, что применение двухступенчатых ДГА позволяет значительно снизить температуру подогрев газа перед ДГА по сравнению с одноступенчатыми установками. Поэтому возможно снижение расхода электроэнергии, необходимой для обеспечения работоспособности ТНУ при подогреве газа перед каждой ступенью ДГА.
Проведем сравнительный анализ установок, поместив их в одинаковые условия и принимая в качестве критерия оценки термодинамической эффективности полезную электрическую мощность, выдаваемую во внешнюю электросеть. Полезная мощность установки определяется
^пол ^ДГА ^комш
где Niia — мощность, вырабатываемая ДГА, кВт; Жкомп — мощность, необходимая для привода компрессора ТНУ, кВт.
Критериями оценки экономической эффективности приняты традиционно используемые дисконтированный срок окупаемости, чистый дисконтированный доход, индекс рентабельности и внутренняя норма доходности.
Методика определения термодинамической и экономической эффективностей включает:
— обоснование критериев оценки эффективности схем установок;
— разработку математических моделей установок, включая условия, ограничения и математические уравнения, описывающие основные элементы схем;
— разработку алгоритмов расчета критериев эффективности;
— исследование влияния различных факторов на показатели эффективности.
Оценка экономической эффективности инвестиций в строительство установок
проводилась при условии замены покупки электроэнергии, электроэнергией, генерируемой установкой.
В исследованиях были приняты следующие условия и ограничения:
— энтальпия газа на выходе из детандера равна его энтальпии на входе станции технологического понижения давления (поскольку использование ДГА предлагается как альтернатива дросселированию);
— температура газа на входе станции технологического понижения давления равна температуре окружающей среды;
— температура низкопотенциального источника теплоты равна температуре окружающей среды;
— давления газа на входе и выходе станции технологического понижения давления равны 0,8 и 0,2 МПа соответственно;
— температура окружающей среды 10°C;
— расход газа GT = 10,6 кг/с;
— промежуточное давление газа в двухступенчатой установке принималось, исходя из условия максимальной мощности, вырабатываемой ДГА [2];
— состав транспортируемого газа — чистый метан;
— хладагент в контуре ТНУ — диоксид углерода;
— внутренний относительный КПД компрессора и детандера — 0,85;
— электромеханический КПД детандера и двигателя компрессора — 0,95;
Рис. 1. Схема установки бестопливной генерации электроэнергии на основе одноступенчатого ДГА и ТНУ: 1 — детандер; 2 — генератор; 3 — теплообменник подогрева газа — конденсатор теплового насоса; 4 — дросселирующее устройство; 5 — линия электроэнергии от генератора ДГА; 6 — линия подачи электроэнергии к электродвигателю — приводу компрессора ТНУ; 7 — линия подачи электроэнергии во внешнюю электросеть; 8 — электродвигатель — привод компрессора ТНУ; 9 — компрессор ТНУ; 10 — испаритель ТНУ; 11 — дросселирующее устройство ТНУ; 12 — источник низкопотенциальной теплоты; 13 — насос подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель ТНУ; 14 — газопровод высокого давления; 15 — газопровод низкого давления
— источник низкопотенциальной теплоты — водоем с температурой воды равной температуре окружающей среды;
— температура хладагента на входе в конденсатор ТНУ выше температуры газа на выходе из него на = 5°С;
Рис. 2. Схема установки бестопливной генерации электроэнергии на основе двухступенчатого ДГА и ТНУ: 1 — первая ступень детандера; 2 — генератор первой ступени ДГА; 3 — теплообменник подогрева газа — конденсатор первого теплового насоса; 4 — дросселирующее устройство; 5 — линия электроэнергии от генератора ДГА первой ступени; 6 — линия подачи электроэнергии к электродвигателю — приводу компрессора первой ТНУ; 7 — линия подачи электроэнергии во внешнюю электросеть от генератора первой ступени; 8 — электродвигатель — привод компрессора первой ТНУ; 9 — компрессор первой ТНУ; 10 — испаритель первой ТНУ; 11 — дросселирующее устройство первой ТНУ; 12 — источник низкопотенциальной теплоты; 13 — насос подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель первой ТНУ; 14 — газопровод высокого давления; 15 — газопровод низкого давления; 16 — вторая ступень детандера; 17 — генератор второй ступени детандера; 18 — линия передачи электроэнергии от генератора второй ступени ДГА; 19 — линия передачи электроэнергии во внешнюю сеть от генератора второй ступени ДГА; 20 — электродвигатель компрессора второй ТНУ; 21 — компрессор второй ТНУ; 22 — дросселирующее устройство второй ТНУ; 23 — конденсатор второй ТНУ; 24 — испаритель второй ТНУ; 25 — насос подачи теплоносителя от НИТ в испаритель ТНУ-2; 26 — источник низкопотенциальной теплоты
Результаты расчета термодинамической эффективности бестопливных установок генерации электроэнергии
на основе одно- и двухступенчатых ДГА
Наименование Одноступенчатая Двухступенчатая
установка установка
Энтальпия газа на входе/выходе ДГА Нвх (Д,ых), кДж/кг 869,19
Температура газа на входе в ДГА, ° С 92,62 47,62
Мощность, вырабатываемая ДГА, Лдга, кВт 1916,50 1811,29
Теплота, необходимая для подогрева газа, Q, кВт 2044,85 1885,32
Мощность, потребляемая ТНУ, кВт 544,39 297,77
Полезная мощность установки ^ол, кВт 1372,12 1513,52
— температура хладагента на выходе из конденсатора ТНУ выше температуры газа на входе в него на б2 =10° С;
— температура испарения ниже температуры теплоносителя, поступающего от НИТ, на 53 = 10°С;
— начало расчетного периода — 1 января 2014 года;
— срок службы оборудования — 20 лет;
— длительность проектных, монтажных и пусконаладочных работ — 1 год.
Расчет стоимости оборудования производился по удельным показателям:
— удельная стоимость установленной мощности ДГА — 18030 руб./кВт;
— удельная стоимость установленной мощности парокомпрессионной ТНУ — 12108 руб./кВт;
— затраты на монтажные и пуско-наладочные работы, дополнительное оборудование, КИП — 25% от общей стоимости установки;
— затраты на извлечение тепла низкого температурного потенциала для ТНУ и хладагент — 20% от стоимости установки;
— затраты на автоматизацию установки — 20% от общей стоимости основного оборудования;
— непредвиденные расходы — 3% от стоимости установки;
— численность обслуживающего персонала — 7 чел.;
— заработная плата руководителя — 50000 руб., инженерно-технического персонала — 30 000 руб.;
— годовое число часов работы оборудования — 8000 ч.
Сведения о тарифах на электроэнергию и по налоговым ставкам приняты по [3, 4].
В табл. 1 представлены результаты расчета термодинамической эффективности установок на основе одно- и двухступенчатых ДГА.
Представленные в табл. 1 результаты расчетов показывают, что полезная м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.