Определение эффективности применения биогаза в когенерационных энергогенерирующих установках
На правах рукописи
СМИРНОВА УЛЬЯНА ИВАНОВНА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОГАЗА В КОГЕНЕРАЦИОННЫХ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва, 2012 год 2
Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и ус тановок» Национального исследовательского университета Московского энергетического института
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Агабабов Владимир Сергеевич.
Официальные оппоненты: Охотин Виталий Сергеевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет Московский энергетический инсти тут», профессор каф. Теоретических основ тепло техники им. М.П. Вукаловича Марченко Евгений Михайлович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Московский государственный от крытый университет имени В.С. Черномырдина», профессор каф. Теплоэнергетических установок
Ведущая организация: ООО «ВНИПИЭнергопром»
Защита диссертации состоится « 19 » апреля 2012 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории Б-205 НИУ МЭИ на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при Национальном исследовательском университете Москов ском энергетическом институте по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., 17.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального иссле довательского университета Московского энергетического института.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью органи зации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказармен ная, д.14, Ученый совет НИУ МЭИ.
Автореферат разослан « 16 » _марта_ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент В.П.Зверьков Актуальность работы. Проблема энергосбережения, являясь одной из важнейших во всех развитых странах, приобретает особую остроту в России, где энергоресурсы дорожают и используются крайне неэффективно.
Генерация электроэнергии и теплоты на установках, использующих энергию возобновляемых источников, является на сегодняшний день одним из бурно развивающихся направлений развития мировой энергетики. Одним из перспективных направлений производства энергии с использованием во зобновляемых источников является получение и дальнейшее использование биогаза. Использование биогаза как топлива возможно как при его сжигании в котлах для производства теплоты в виде пара или жидкого теплоносителя, так и при сжигании в камерах сгорания газотурбинных установок и в цилин драх газопоршневых агрегатов.
Биогазовые установки могут быть использованы также в сочетании с другими установками для генерации энергии, такими, например, как бестоп ливные установки на базе детандер-генераторных агрегатов (ДГА) и тепло вых насосов, для повышения их эффективности.
Цель работы.
Цель исследования – определение термодинамической эффективности биогазовых установок, а также влияния на не режимных и конструктивных изменений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Проанализировать технические характеристики работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов и получить аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД от их электрической и тепловой мощности.
Провести анализ термодинамической эффективности когенерационных биогазовых установок на базе газовой турбины и газопоршневых агрегатов, а также на базе паротурбинной установки с противодавлением, при различных параметрах эксплуатации.
Разработать и провести термодинамический анализ схемы бестоплив ной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса и установок, использующих возобновляемые источники энергии.
Научная новизна:
- разработана модификация метода эксергетического анализа - метод разно сти эксергетических КПД;
- получены аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электро энергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов от электрической и тепловой мощностей;
- получены результаты впервые проведенного с применением метода разно сти эксергетических КПД сравнительного анализа термодинамической эф фективности схем когенерационных биогазовых установок на базе газовой турбины и газопоршневых агрегатов, а также зависимости влияния измене ния давлений острого пара и противодавления на изменение эксергетическо го КПД паротурбинной установки с противодавлением;
- получены результаты впервые проведенного с применением метода разно сти эксергетических КПД анализа термодинамической эффективности схем установок на базе ДГА, теплонасосной установки и биогазовой установки при различных режимах е работы.
Практическая значимость:
- полученные аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электро энергии и эксергетического КПД установок от электрической мощности ГПА и КПД по выработке теплоты от тепловой мощности ГПА позволят прини мать обоснованные решения о внедрении энергогенерирующих агрегатов при развитии энергетических систем и комплексов;
- разработанный метод разности эксергетических КПД позволит упростить термодинамический анализ при определении влияния конструкции и режим ных факторов на изменение термодинамической эффективности установок, а полученные с его применением результаты позволят принимать обоснован ные решения при выборе агрегатов для энергетических систем и комплексов;
- разработаны и защищены патентами три новые схемы бестопливной уста новки на базе ДГА, ТНУ и установок, использующих энергию возобновляе мых источников.
Автор защищает:
- разработанную модификацию метода эксергетического анализа – метод разности эксергетических КПД;
- аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД работающих на биогазе в ре жиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов от электриче ской и тепловой мощностей;
- результаты сравнительного анализа термодинамической эффективности схем когенерационных биогазовых установок на базе газовой турбины и га зопоршневых агрегатов;
- зависимости влияния изменения давлений острого пара и противодавления на термодинамическую эффективность работы паротурбинной установки с противодавлением;
- результаты термодинамического анализа схем установок на базе ДГА, теп лонасосной установки и биогазовой установки при различных режимах е работы.
Личное участие автора в полученных научных результатах:
Личный вклад автора заключается:
- в разработке модификации метода эксергетического анализа – метода раз ности эксергетических КПД;
- в систематизации и обработке исходной информации и в получении ап проксимирующих зависимостей КПД по выработке электроэнергии, КПД по выработке теплоты и эксергетического КПД работающих на биогазе в режи ме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов от электрической и тепловой мощностей;
- в проведении и получении результатов анализа термодинамической эффек тивности схем когенерационных биогазовых установок на базе газовой тур бины и газопоршневых агрегатов, паротурбинной установки с противодавле нием и схем установок на базе ДГА, теплонасосной установки и биогазовой установки;
- в участии в разработке защищенных патентами трех новых схем бестоплив ных установки на базе ДГА, ТНУ и установок, использующих энергию во зобновляемых источников.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждена приме нением современных методов термодинамического анализа, использованием представительных исходных данных при построении аппроксимирующих за висимостей.
Апробация и публикации. Результаты работы были представлены:
Пятнадцатая и Шестнадцатая Международная научно-техническая конфе ренция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энер гетика». Москва, 2009 - 2010 гг.;
Неделя науки в Котбусе в институте округа Лаузитц. ФРГ, Котбус, 2009 г.;
X международная молодежная конференция "Севергеоэкотех - 2010". Ухта, 2010 г.;
Пятая Международная Школа семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». Москва, 2010 г.
Основное содержание работы
изложено в 13-ти публикациях, в том числе в пяти статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК и описании трех патентов на полезную модель.
Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Текст диссерта ции изложен на 168 страницах, включая 50 рисунков и 23 таблицы.
Во введении обоснована актуальность проблемы применения энерго сберегающих технологий, а именно использование биогаза как топлива в энергогенерирующих установках для одновременного производства элек троэнергии и теплоты. Сформулированы цели работы, показана научная и практическая ценность.
В первой главе, на основе анализа литературных источников, кратко описана история развития и сущность биогазовой технологии, проведен ана лиз публикаций материалов научных исследований в области биогазовой технологии, которые проводились как в странах Западной Европы (в основ ном – в Германии), так и в России.
Здесь представлены также разработанные автором структурная схема и принцип функционирования когенерационной биогазовой установки с про изводством электроэнергии и теплоты, выбран для проведения исследований эксергетический метод термодинамического анализа для оценки энергетиче ской эффективности, основанный на определении эксергетического КПД ус тановок.
Завершается первая глава определением цели и задач, которые необхо димо решить для достижения поставленной цели.
Во второй главе проводятся исследования газопоршневых агрегатов (ГПА) различной мощности, работающих на биогазе.
В настоящее время в Германии построено около 4200 биогазовых уста новок, которые производят около 1600 MВт электрической энергии и тепла.
Потенциал 2020 года находится на уровне 12000 установок с производитель ностью 4800 MВт.
Исходными данными для проведения исследования были электриче ская и тепловая мощности ГПА, а также КПД по выработке электроэнергии и теплоты на ГПА. Эксергетический КПД рассчитывался по выражению Е е, (1) Е где Е и Е – эксергии потоков на входе и на выходе из установки.
На входе ГПА эксергия биогаза ЕБГ (учитывалась только химическая эксергия, так как эксергия потока в рассматриваемых условиях незначитель на и ею можно пренебречь), а на выходе – сумма эксергий электроэнергии Е N и теплоты EQ, которые определяются по следующим выражениям:
ТЕПЛ Э Е БГ 1,04 QТОПЛ ;
(2) Е Э N Э ЭЛ QТОПЛ ;
(3) N Т ОС Т ) ТЕПЛ QТОПЛ (1 ОС ), EQТ QТЕПЛ (1 (4) Т ИСТ Т ИСТ где QТОПЛ - теплота, полученная при сжигании топлива (биогаза);
Т ОС - температура окружающей среды, равная 20 °С;
Т ИСТ - температура источника, равная 70 °С.
На рисунках 1 и 2 представлены графики зависимости изменения КПД по выработке электроэнергии эл и эксергетического КПД эксерг в диапазонах изменения электрических мощностей Nэл ГПА 0-200;
0-2000 и 0-7000 кВт, а на рисунке 3 КПД по выработке теплоты тепл в диапазонах изменения тепло вых мощностей Qтепл ГПА 0-300;
0-2000 и 0-7500 кВт.
По результатам расчетов были получены аппроксимирующие уравне ния, описывающие зависимости КПД по выработке электроэнергии от элек трической мощности ГПА, КПД по выработке теплоты от тепловой мощно сти ГПА и эксергетического КПД установок от электрической мощности ГПА.
Для КПД по выработке электроэнергии (электрическая мощность ГПА 0-7000 кВт) ЭЛ 7000 2,7186 ln (N ЭЛ ) 21,039. (5) Для КПД по выработке теплоты (тепловая мощность ГПА 0-7500 кВт) ТЕПЛ 3,372 ln (Q ТЕПЛ ) 68,283. (6) Для эксергетического КПД (электрическая мощность ГПА 0-7000 кВт) 0 ЭКСЕРГ 2,1731 ln (N ЭЛ ) 29,482. (7) Рисунок 1– Зависимость КПД по выработке электроэнергии от электрической мощности установки в диапазонах 0-200;
0-2000 и 0-7000 кВт Рисунок 2 – Зависимость КПД по выработке теплоты от тепловой мощности установки в диапазонах 0-300;
0-2000 и 0-7500 кВт Рисунок 3 – Зависимость эксергетического КПД от электрической мощности установки в диапазонах 0-200;
0-2000 и 0-7000 кВт Рисунок 4 – Зависимость КПД по выработке электроэнергии от элек трической мощности ГПА установки «Hoogen» в диапазоне от 0 до 1100 кВт Обработка результатов, позволила определить математическое выра жение, описывающее зависимость КПД по выработке электроэнергии от электрической мощности ГПА установки «Hoogen»:
ЭЛ 6,127 ln (Р ЭЛ ) 2,3312 (8) В третьей главе разработана и апробирована модификация метода эк сергетического анализа - метод разности эксергетических КПД, основанный на определении изменения е эксергетического КПД установок, позволяю щий упростить термодинамический анализ и сделать более наглядными его результаты при определении влияния конструкции и режимных факторов на изменение термодинамической эффективности установок. Для определения эксергетического КПД е установки было принято выражение Е е, (9) Е где Е и Е - суммы эксергий всех потоков на входе и на выходе уста новки соответственно.
Изменение эксергетического КПД системы е определялось как раз ность между эксергетическими КПД после внесения конструктивных или режимных изменений на изменение эксергетического КПД установок е1 и до внесения изменений е0.
е е1 е0. (10) В результате было получено выражение для определения изменения эксергетического КПД в виде Е е0 Е е, (11) Е0 Е где Е и Е - изменения эксергий входа и выхода установки после внесения конструктивных или режимных изменений соответственно;
Е0 - сумма эк сергий на входе в установку до внесения изменений.
Использование полученного выражения позволяет определить эффек тивность внесения конструктивных или режимных изменений, рассчитав только эксергетический КПД е0 системы, а также определив изменения эк сергий входа и выхода, не определяя значение эксергетического КПД систе мы после внесения изменений в схему или режим работы установки. Кроме того, данный метод эксергетического анализа позволяет определить степень влияния различных параметров процесса на изменение эксергетического КПД.
Предложенный метод позволяет также оценить, будет положительным или отрицательным изменение эксергетического КПД установки после ка ких-либо изменений ее конструкции или параметров потоков эксергии. Это следует из анализа формулы (11). Анализ проводился при условиях, когда знаменатель положителен.
В работе показано, что когда изменения эксергий входа и выхода оба положительны, то изменение эксергетического КПД будет положительным, когда выполняется неравенство E e E. (12) При отрицательных изменениях эксергий входа и выхода изменение эксергетического КПД будет положительным, когда выполняется неравенст во E e E. (13) В тех случаях, когда изменение эксергии входа положительно, а эксер гии выхода отрицательна, результат очевидно отрицателен, а когда измене ние эксергии входа отрицательно, а эксергии выхода положительна, резуль тат очевидно положителен.
Апробация метода разностей эксергетических КПД была проведена для двух вариантов энергосберегающих мероприятий. В первом варианте рас сматривались т.н. режимные мероприятия, при проведении которых изменя ются количество и параметры потоков вещества или тепловых потоков, вхо дящих в установку. Во втором варианте рассматривались энергосберегающие мероприятия, связанные с конструктивными усовершенствованиями, при проведении которых количество и параметры потоков на входе в установку не изменяются. В обоих случаях был получен результат, подтверждающий применимость метода.
В четвертой главе проведен сравнительный анализ когенерационных установок на базе ГТУ и ГПА, а также анализ влияния параметров ПТУ на эффективность е работы.
Анализ эффективности работы когенерационных установок на базе ГТУ и ГПА проводился с применением метода разности эксергетических КПД, описанного в главе 3. Рассматривался случай конструктивного измене ния установки при замене ГТУ на ГПА. КПД по выработке электроэнергии ГТУ принимался равным 0,25, ГПА – 0,3;
0,35;
0,4 и 0,45.
На рисунке 5 приведена зависимость разности эксергетических КПД установки е от КПД по выработке электроэнергии ГПА ээ ГПА при заме не ГТУ на ГПА.
Рисунок 5 – Зависимость разности эксергетических КПД установки от КПД по выработке электроэнергии ГПА при замене ГТУ на ГПА Эксергетический анализ использующей в качестве топлива биогаз ко генерационной установки для производства электроэнергии и теплоты на ба зе паротурбинной установки с противодавлением (типа Р) при различных давлениях пара до и после турбины проводился также с применением метода разности эксергетических КПД.
На рисунке 6 представлена принципиальная схема установки для полу чения электроэнергии и теплоты на базе паротурбинной установки с проти водавлением.
1 – паровой котел;
2 – паровая турбина;
3 – генератор;
4 – теплообменник;
5 – теплота потребителю;
6 - насос Рисунок 6 – Принципиальная схема установки для получения электро энергии и теплоты на базе паротурбинной установки с противодавлением Установка рассматривалась как единое целое без разделения на эле менты (метод «черного ящика»). В качестве исходных данных для анализа использовались параметры рабочих тел на входе и выходе установки. В уста новку входит биогаз, используемый в качестве топлива, и воздух, необходи мый для сжигания биогаза. Из установки выходит электроэнергия и отрабо танный пар, а также уходящие газы котла. В связи с тем, что использование теплоты уходящих газов не предполагается, эксергия потока уходящих газов отнесена к потерям.
Рассматривались варианты установки с абсолютным давлением и тем пературой пара перед турбиной рвх 2,1;
2,8 и 3,4 МПа и после турбины рвых 0,3;
0,7 и 1,3 МПа и tвх = 410 °С и давлением пара после турбины = 0,25;
0,7;
1,6 МПа. «Нулевым» вариантом принималась ПТУ с параметрами пара рав ными 2,8/1,3;
2,8/0,7;
и 2,8/0,3 МПа и эксергетический КПД равен 46,70%;
43,83 % и 39,51 % соответственно.
На рисунках 7 и 8 показаны зависимости изменения эксергетического КПД е ПТУ при разных абсолютных давлениях пара до и после турбины соответственно.
Анализ рисунков 7 и 8 показывает, что при увеличении давления пара после турбины при постоянном давлении пара перед турбиной изменение эк сергетического КПД по абсолютной величине увеличивается, а при увеличе нии давления пара перед турбиной при постоянном давлении пара после тур бины изменение эксергетического КПД по абсолютной величине уменьша ется.
Рисунок 7 – Зависимость изменения эксергетического КПД е ПТУ при разных абсолютных давлениях пара перед турбиной Рисунок 8 – Зависимость изменения эксергетического КПД е ПТУ при разных абсолютных давлениях пара после турбины В пятой главе разработаны схемы энергогенерирующих установок на базе детандер-генераторного агрегата, теплонасосной установки и установки, использующей энергию возобновляемых источников энергии.
В работе показано, что в энергогенерирующей бестопливной установке на базе ДГА и ТНУ в системе газоснабжения лишь часть от выработанной генератором ДГА электроэнергии направляется потребителю. Другая ее часть должна быть использована для обеспечения работы ТНУ. Для увеличе ния доли энергии, передаваемой потребителю, предлагается включить в схе му установки систему для подогрева газа, использующую возобновляемые источники энергии: солнце и/или биогаз.
Анализ схем установок на базе детандер-генераторного агрегата, теп лового насоса и возобновляемых источников энергии проводился с помощью метода разности эксергетических КПД.
На рисунке 9 приведена принципиальная схема бестопливной установ ки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса, солнечной и биогазовой энергетическими установками.
1 – трубопровод высокого давления;
2 – теплообменник подогрева газа перед теплообменником-конденсатором;
3 – теплообменник-конденсатор;
4 – теп лообменник подогрева газа после теплообменника-конденсатора;
5 – детан дер;
6 – электрогенератор;
7 – электродвигатель - привод компрессора ТНУ;
– компрессор ТНУ;
9 – испаритель ТНУ;
10 – дросселирующее устройство;
11 – теплообменник подогрева теплоносителя из низкопотенциального ис точника теплоты;
12 – насос перекачки низкопотенциального теплоносителя;
13 – низкопотенциальный источник теплоты;
14 – насос перекачки промежу точного теплоносителя;
15 – солнечная энергетическая установка;
16, 17,18 и 19 – линии подвода промежуточного теплоносителя к теплообменникам 2, и 11;
20 – установка для получения биогаза;
21 – котел, использующий в ка честве топлива биогаз;
22, 23, 24, 25 - линии отвода промежуточного тепло носителя от теплообменников 2, 4 и 11;
26 – трубопровод низкого давления;
27 – электрическая связь электрогенератор - привод ТНУ;
28 – электрическая связь электрогенератор - электрическая сеть.
Рисунок 9 - Принципиальная схема бестопливной установки на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса, солнечной и биогазовой энергетическими установками В установку входит газ высокого давления, поток низкопотенциального теплоносителя и тепловой поток, полученный в биогазовой энергетической установке. Из установки выходит газ низкого давления, поток низкопотенци ального теплоносителя и электроэнергия.
Расчеты проводились для нескольких вариантов режимов работы: тем пература газа t4 перед детандером постоянна, температура газа t4 перед де тандером меняется, при этом в одном случае газ на выходе из детандера сра зу направляется потребителю, а в другом теплота газа после детандера пере дается потоку газа перед конденсатором ТНУ в дополнительно установлен ном регенеративном теплообменнике, после чего газ направляется потреби телю. Расчеты были проведены для 4-х режимов t4 = 50;
60;
70 и 80 °С.
На рисунках 10, 12 и 14 приведены графики зависимости прироста эк сергетического КПД установки е, а на рисунках 11, 13 и 15 - графики зави симости прироста электрической мощности NЭ от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при постоянных температурах газа перед детандером, при непостоянных температурах газа перед детандером без регенерации и при непостоянных температурах газа перед детандером с регенерацией соот ветственно.
Анализ рисунка 10 показывает, что кривые прироста эксергетического КПД установки е от теплоты, подведенной от БГУ при постоянных темпе ратурах на выходе из теплообменника 4, имеют максимум, который с увели чением температуры газа t4 перед детандером смещается в сторону увеличе ния теплоты, подведенной от биогазовой установки.
Из рисунка 11 видно, что увеличение теплоты, подведенной от БГУ при постоянных температурах на выходе из теплообменника 4, приводит к увеличению электрической мощности, отдаваемой в сеть.
Рисунок 10 - График зависимости прироста эксергетического КПД ус тановки е от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при постоян ных температурах газа перед детандером Рисунок 11 – График зависимости прироста электрической мощности NЭ от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при постоянных тем пературах газа перед детандером Рисунок 12 - График зависимости прироста эксергетического КПД ус тановки е от теплоты, подведенной от биогазовой установки при непосто янных температурах газа перед детандером без регенерации Рисунок 13 – График зависимости прироста электрической мощности NЭ от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при непостоянных температурах газа перед детандером без регенерации Из графика рисунка 12 видно, что прирост эксергетического КПД ус тановки для постоянной температуры газа t3 = 50 С сначала снижается, а по том начинает расти, при этом значения прироста эксергетического КПД ус тановки всегда отрицательные;
для температуры газа t3 = 60 С характер кри вой прироста эксергетического КПД установки такой же, как и для темпера туры газа t3 = 50 С, но значения прироста эксергетического КПД установки е от теплоты, подведенной от биогазовой установки, при QБГУ = 57,5 кВт становятся положительными;
кривые прироста эксергетического КПД уста новки е от теплоты, подведенной от биогазовой установки, для температур газа t3 70 и 80 С монотонно возрастают.
Из рисунка 13 видно, что увеличение теплоты, подведенной от биога зовой установки при постоянных температурах на выходе из теплообменни ка-конденсатора 3, приводит к увеличению электрической мощности, отда ваемой в сеть. При этом электрическая мощность для принятых температур газа t3 изменяется на постоянную величину, равную 16,9 кВт. С повышением температуры газа t3 значения отдаваемой в сеть электрической мощности снижаются.
Анализ рисунка 14 показывает, что в этом случае прирост эксергетиче ского КПД установки е при увеличении теплоты, подведенной от биогазо вой установки, возрастает.
Рисунок 14 - График зависимости прироста эксергетического КПД ус тановки е от теплоты, подведенной от биогазовой установки при непосто янных температурах газа перед детандером с регенерацией Рисунок 15 – График зависимости прироста электрической мощности NЭ от теплоты, подведенной от БГУ, при непостоянных температурах газа перед детандером с регенерацией Анализ рисунка 15 показывает, что увеличение теплоты, подведенной от БГУ при непостоянной температуре газа перед детандером t4 с регенера цией, приводит к увеличению электрической мощности, отдаваемой в сеть.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ По результатам анализа технических характеристик работающих на биогазе в режиме когенерации промышленных газопоршневых агрегатов по лучены аппроксимирующие зависимости КПД по выработке электроэнергии и эксергетического КПД от их электрической мощности и КПД по выработке теплоты от тепловой мощности.
По результатам проведенного с участием автора эксперимента на дей ствующем оборудовании получено аппроксимирующее уравнение для оцен ки зависимости КПД по выработке электроэнергии от электрической мощно сти промышленной когенерационной биогазовой установки на базе газо поршневого агрегата.
Разработана и апробирована модификация метода эксергетического анализа - метод разности эксергетических КПД, основанный на определении приращения эксергетического КПД установок после проведения каких-либо режимных или конструктивных изменений их работы.
На примере сравнения газовой турбины и газопоршневых агрегатов с применением метода разности эксергетических КПД проведен анализ влия ния конструктивных изменений на термодинамическую эффективность коге нерационных биогазовых установок, работающих в режиме отпуска электро энергии и теплоты на теплофикацию. Показано, что в этом случае использо вание агрегатов с более высоким КПД по выработке электроэнергии оказы вается термодинамически более выгодным. Кроме того, в каждом конкрет ном случае при выборе ГПА или ГТУ следует учитывать и другие эксплуата ционные и технические характеристики: давление топливного газа, диапазон рабочих режимов, ресурс до капитального ремонта, затраты на эксплуатацию и т.д.
С применением метода разности эксергетических КПД проведено ис следование и получены зависимости влияния изменения давлений пара перед турбиной и после турбины на термодинамическую эффективность работы паротурбинной установки с противодавлением. Показан характер влияния указанных параметров на приращение эксергетического КПД.
Показано, что эксергетический КПД ГПА, ГТУ и ПТУ при принятых условиях анализа не зависит от доли содержания метана в биогазе. Рекомен довано оценивать влияние доли содержания метана в биогазе на эффектив ность работы когенерационных установок по изменению электрической и те пловой мощностей.
Разработаны защищенные патентами на полезную модель три схемы бестопливных установок на базе детандер-генераторного агрегата, теплового насоса (парокомпрессионного и воздушного) и установок, использующих во зобновляемые источники энергии (солнечную энергетическую установку и установку, работающую на биогазе).
С применением метода разности эксергетических КПД проведен тер модинамический анализ схемы бестопливной установки на базе детандер генераторного агрегата, теплового насоса, солнечной энергетической уста новки и установки, использующей энергию биогаза. Получены графические зависимости прироста эксергетического КПД от теплоты, подводимой от ВИЭ, при различных параметрах работы установки. Показано, что режимы работы установки с постоянной температурой газа перед детандером и с ре генерацией теплоты газа после детандера, а также режим с переменной тем пературой газа перед детандером, термодинамически более эффективны, чем режим работы установки с постоянной температурой газа перед детандером без регенерации теплоты газа после детандера.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 1 Агабабов В.С., Колосов А.М., Смирнова У.И. Зависимость для опре деления эффективности работы бестопливной энергогенерирующей установ ки в системе газоснабжения // Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф.
Студентов и аспирантов: Тез.докл. В 3-х т. М: МЭИ, 2009. Т.2.- С. 417-418.
2 Агабабов В.С., Колосов А.М., Смирнова У.И. Детандер генераторная установка // Патент на пол. мод. №75880 RU МПК F25B 11/02, 10.04.2008 Опубл. 27.08.2008 Бюл. №24.
3 Агабабов В.С., Колосов А.М., Смирнова У.И. К вопросу опреде ления эффективности применения энергосберегающих мероприятий в установках преобразования энергии // Энергосбережение и водоподго товка.–2009. №3 (59). – С. 40- 4 Агабабов В.С., Байдакова Ю.О., Смирнова У.И. Детандер генераторная установка // Патент на пол. мод. №88781 RU МПК F25B 11/02, 16.07.2009 Опубл. 20.11.2009 Бюл. №32.
5 Агабабов В.С., Колосов А.М., Смирнова У.И. Зависимость для определения эффективности работы бестопливной установки для произ водства электроэнергии в системе газоснабжения // Энергосбережение и водоподготовка.–2009.-№ 4 (60). – С.47-48.
6 Агабабов В.С., Байдакова Ю.О., Захарова А.О., Смирнова У.И. О возможности применения разностного метода эксергетического анализа для определения эффективности внедрения энергосберегающего меро приятия // Энергосбережение и водоподготовка.–2009.-№ 5 (61). – С.63-65.
7 Агабабов В.С., Смирнова У.И. О разностном методе эксергетическо го анализа // Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспи рантов: Тез. докл. В 3-х т. М: МЭИ, 2010. Т.2.- С. 405-406.
8 Агабабов В.С., Колосов А.М., Смирнова У.И. Оценка эффектив ности работы бестопливных энергогенерирующих установок для произ водства электроэнергии в системе газоснабжения // Вестник МЭИ – 2010.-№ 2 – С. 15-20.
9 Агабабов В.С., Байдакова Ю.О., Смирнова У.И. Повышение энерге тической эффективности бестопливной установки на базе детандер генераторного агрегата и теплового насоса за счет применения возобновляе мых источников энергии // X международная молодежная конференция "Се вергеоэкотех - 2010": материалы конференции (17-19 марта 2010 г.Ухта):в 3 х ч.;
ч.3. – Ухта: УГТУ. 2010. – 394 с.
10 Костюченко П.А., Смирнова У.И. К определению эффективности работы детандер-генераторных агрегатов // Сборник научных трудов: мате риалы научно-практической конференции (13-15 апреля 2010 г.) в 2 ч.;
ч.1 / под.ред. Н.Д.Цхадая – УГТУ, 2009. – 405 с.:ил.
11 Агабабов В.С., Смирнова У.И., Сочков М.С. Детандер генераторная установка // Патент на пол. мод. №101095 RU МПК F25B 11/02, 10.06.10 Опубл. 10.01.11 Бюл. №1.
12 Бергман Р., Даенин К.Е., Смирнова У.И., Хаймер Ю.Ю., Энергоге нерирующие биогазовые установки // Пятая международная Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика».
М: МЭИ, 2010. – С. 398–401.
13 Смирнова У.И. Влияние параметров ПТУ на эффективность ра боты установки // Энергосбережение и водоподготовка.–2011.-№ 6 (74). – С.69-71.
Подписано в печать Зак. Тир. П.л.
Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д.