3.1. Схема когенерации (теплофикации)

Рассматривается принципиальная схема теплофикации, показанная на рис. 5.

Расчет проводим для максимального отпуска тепловой энергии, т.е. при отсутствии регенерации, а исходные данные принимаем для ВПУ электрической мощностью 4,5 МВт [14].

Согласно схеме, можно утилизировать физическую теплоту пара ( ), теплоту фазового перехода ( ) и часть физической теплоты конденсата греющего пара ( ).

Тогда, с учетом потерь оборудованием,

МВт;

МВт.

При МВт, получим коэффициент использования топлива (КИТ)

.

3.2. Схема тригенерации

Рассматривается принципиальная схема теплофикации, показанная на рис. 6.

Согласно схеме, можно утилизировать физическую теплоту пара ( ), теплоту фазового перехода ( ) и часть физической теплоты конденсата греющего пара ( ). Отличительной особенностью данной схемы является включение в нее АХМ, вместо ОК.

Для расчетов выбираем одноступенчатую АХМ с холодильным коэффициентом , тогда

МВт,

.

Снижение КИТ по сравнению с чисто теплофикационной схемой произошло из-за АХМ с . Возможность применения различных АХМ будет рассмотрена далее.

3.3. Расчет системы утилизации тепловой энергии после турбины

Теплофикационные циклы с противодавленческими турбинами характеризуются высокой эффективностью т.к. вся теплота отработавшего в турбине пара полезно утилизируется. Схема реализации теплофикационного цикла зависит от потребности в энергии определенного вида - когенерация или тригенерация.

Поэтому для расчета выбираем схему тригенерации с возможностью отпуска большого количества холода для системы кондиционирования (рис. 8). Такая схема может быть привлекательна, например, для крупных торгово-развлекательных комплексов, где эффективность ВПУ будет поддерживаться на высоком уровне (благодаря выработке холода в летнее время) в течение всего года.

В камере сгорания водородного парогенератора (ВПГ) 1 происходит сжигание газообразного водорода в среде газообразного кислорода с образованием парогаза с температурой порядка 2500 – 2700 К. Для тепловой защиты в камере сгорания предусмотрено водяное охлаждение. Затем парогаз и неиспарившаяся охлаждающая вода попадают в камеру испарения ВПГ, где за счёт испарения балластировочной воды понижается температура парогаза до заданного значения в области перегретого или сверхперегретого водяного пара, который совершает работу в высокооборотной паровой турбине (ВПТ) 2 за счет чего в электрогенераторе вырабатывается электрическая мощность. ВПГ непосредственно присоединён к ВПТ, что исключает наличие протяженных паропроводов [15]. А вариант двухступенчатой сверхзвуковой ВПТ с противодавлением позволяет быстрозапускать установку из холодного состояния, около 10 с, и утилизировать теплоту выхлопа турбины для нужд теплофикации. Всё это делает ВПУ очень компактной и манёвренной.

Рис. 8. Принципиальная схема теплофикации:

1 – водородный парогенератор; 2 – высокооборотная паровая турбина; 3 – газовый регенеративный подогреватель; 4 – водяной регенеративный подогреватель; 5 – конденсатор; 6 – электролизёр; 7 – бак-аккумулятор кислорода; 8 – бак-аккумулятор водорода; 9 – охладитель конденсата; 10 – бак подпитки подготовленной воды; 11 – охладитель пара; 12 – абсобционная холодильная машина; ТС – тепловая сеть; ХП – холодопровод

Перегретый водяной пар, но с меньшим давлением, из ВПТ поступает в газовый регенеративный подогреватель (ГРП) 3, где за счет избыточной физической теплоты пара подогреваются горючее (водород H₂) и окислитель (кислород О₂). Подогретые газообразные H₂ и О₂ подаются в ВПГ.

Из ГРП водяной пар, имеющий большой перегрев, поступает в водяной регенеративный подогреватель (ВРП) 4, где подогревает воду, подаваемую в ВПГ на завесу, регенеративное охлаждение камеры сгорания и на балластировку в камеру испарения. Для исключения конденсации греющего пара в ВРП его температура на выходе из ВРП поддерживается несколько выше температуры насыщения. Газовый и водяной регенеративные подогреватели конструктивно выполняются по одинаковой схеме, поэтому могут быть объединены в регенеративный моноблок. Затем поток греющего, немного перегретого, пара распределяется в зависимости от режима работы схемы – когенерационного или тригенерационного.

При когенерационном режиме, пар после ВРП 4 подаётся в конденсатор 5, где конденсируясь, отдаёт теплоту фазового перехода воде из тепловой сети. Так как конденсат греющего пара после конденсатора может иметь достаточно высокую температуру (в зависимости от противодавления), а сильное переохлаждение его в конденсаторе нецелесообразно, то последовательно по греющему теплоносителю и параллельно по сетевой воде устанавливается охладитель конденсата 9, в котором избыточная теплота конденсата передаётся сетевой воде. Охлаждённый конденсат поступает в бак подпитки подготовленной воды (БППВ) 10. В чистом виде когенерационный режим может быть осуществлён в отопительный период, когда теплота используется в тепловой сети для отопления и горячего водоснабжения, или круглогодично – когда имеется постоянная потребность в достаточно большом количестве горячей воды (например, крупные крытые аквапарки).

В случае тригенерационного режима, пар после ВРП 4 подаётся в охладитель пара (ОП) 11, где сетевая вода охлаждает греющий пар до температуры насыщения. Полученная теплота расходуется на горячее водоснабжение. После ОП, насыщенный пар попадает в абсорбционную холодильную машину (АБХМ) 12, где вырабатывается холод, который по холодопроводу подаётся потребителю (система кондиционирования). Конденсат греющего пара после АБХМ направляется в БППВ 10.

При сгорании водорода в кислородной среде образуется водяной пар, который вместе с испарившейся водой является рабочим телом ВПТ. Чтобы не допустить перегрузку системы по рабочему телу, в БППВ предусмотрен отбор конденсата, в количестве равном суммарному расходу горючего и окислителя (В_H2 + В_О2) в электролизёр 6. Где, например, в ночное время, когда потребность в электроэнергии снижается, за счёт невостребованной «провальной электроэнергии» получают водород и кислород с последующим их аккумулированием в баках-аккумуляторах 7 и 8. Оставшаяся часть конденсата через ВРП попадает в ВПГ.

Таким образом, работа ВПУ по предлагаемой схеме позволяет в зимний (отопительный) период вырабатывать электроэнергию и тепловую энергию для нужд теплоснабжения, а в летний период вырабатывать электроэнергию, тепловую энергию для горячего водоснабжения и холод для системы кондиционирования.

Работа ВПУ подобна и паротурбинным (ПТУ) и газотурбинным (ГТУ) установкам. С одной стороны, в ВПУ рабочим телом является водяной пар и реализуется цикл Ренкина для турбины с противодавлением как у ПТУ. С другой стороны, рабочим телом ВПУ являются продукты сгорания горючего (водорода) в среде окислителя (кислорода), что подобно работе ПГУ. Поэтому любые изменения параметров рабочего тела будут влиять на экономичность ВПУ в большей степени, чем на ПТУ. Например, для ПТУ регенеративный подогрев питательной воды парогенератора приведёт к пропорциональному уменьшению расхода топлива в последнем при неизменных параметрах свежего пара. А для ВПУ уменьшение расхода горючего и окислителя, пропорционально теплоте регенеративного подогрева компонентов топлива и балластировочной воды, приведёт к уменьшению массового расхода пара на турбину, что, безусловно, скажется на производстве полезной работы.

Для противодавленческой теплофикационной ПТУ характерно, что для нужд теплофикации отводится весь отработавший в турбине пар, поэтому мощность турбины связана с нагрузкой теплового потребителя. При постоянном расходе пара, мощность турбины с противодавлением однозначно определяется используемым теплоперепадом, который зависит от начальной температуры пара. Если начальное давление и противодавление турбины постоянны, повышение температуры пара приводит к увеличению работы пара, повышению термического и внутреннего КПД, а величина повышения начальной температуры пара ограничена только прочностными свойствами металла и удорожанием турбины.

Таким образом, появляется принципиальная возможность дополнительного маневрирования отпуском электрической и тепловой энергии потребителю посредством изменения (или полного отключения) регенеративного подогрева [16]. Предположим, что потребность в тепловой энергии снизилась, а в электрической – возросла. В этом случае осуществляется максимально возможная регенерация теплоты. При неизменном расходе пара, за счёт подогрева компонентов топлива и технологической воды, подаваемых в ВПГ, возрастает его температура и, соответственно, отпускаемая электрическая мощность. В случае увеличения потребности в тепловой энергии возможно снижение или полное отключение пропуска пара через регенеративные подогреватели. Из-за невозможности работы противодавленческой ВПТ в области влажного пара, величина снижения температуры свежего пара ограничивается областью перегретого пара для противодавления.

Полагая, что работа электролизёра обеспечивается за счёт сторонней энергии, и максимальном отпуске теплоты потребителю (при отключенных регенеративных подогревателях) тепловая мощность элементов схемы определялась по следующим формулам:

тепловая мощность конденсатора при условии, что перегретый пар охлаждается в нем же до температуры насыщения

,

где – расход отработавшего в турбине пара, кг/с; , - энтальпия пара после турбины и конденсата этого пара на выходе из конденсатора соответственно, кДж/кг; - коэффициент, учитывающий тепловые потери теплообменника (принимается одинаковым для всех аппаратов, кроме АБХМ);

тепловая мощность ОК

где - энтальпия конденсата на выходе из аппарата, кДж/кг;

тепловая мощность ОП

где - энтальпия насыщенного пара при давлении в аппарате, кДж/кг;

тепловая мощность АБХМ

где – холодильный коэффициент АБХМ.

Энергетическую эффективность ВПУ рассмотрим отдельно для когенерационного и тригенерационного режимов её работы при условии, что для теплообменников , а для АБХМ .

Определим КИТ для ВПУ при следующих исходных данных: ; ; ; ; ; , , ; . Соответственно, и .

В данном примере рассмотрен вариант с одноступенчатой АБХМ, для которой при небольшом холодильном коэффициенте требуется теплота достаточно низкого потенциала. Для двух- и трёхступенчатых АБХМ и соответственно, но для работы им требуется теплота существенно более высокого потенциала, что повлечёт за собой необходимость увеличения противодавления, с неизбежным уменьшением полезной работы в турбине и снижением электрической мощности. Поэтому энергетический выигрыш может быть минимальным.

Рассмотрим влияние регенерации теплоты теплофикационного выхлопа на эффективность ВПУ.

Для двухступенчатой турбины располагаемая адиабатическая работа определиться как

где – средний показатель адиабаты; Дж/(кг·K) – газовая постоянная для воды (водяного пара); - абсолютная температура парогаза на входе в турбину, K; - давление пара на выходе из турбины, Па; - давление пара на входе в турбину, Па.

Условная скорость, соответствующая располагаемой адиабатической работе

, м/с

Окружную скорость на среднем диаметре турбины принимаем равной м/с исходя из обеспечения достаточного запаса прочности конструкции. Тогда приведенная окружная скорость определиться по формуле

Изменение КПД турбины при отклонении приведенной окружной скорости от минимального значения описывается зависимостью

,

а при изменении расхода пара через турбину следующей зависимостью

где - относительный расход пара через турбину; - текущий расход пара, кг/с; - номинальный расход пара, кг/с.

Соответственно мощность на валу турбины

, Вт

Для регенерации может быть использована тепловая мощность

МВт.

Это количество теплоты может быть использовано для следующих целей:

1) вся регенеративная теплота расходуется на повышение температуры парогаза перед турбиной;

2) вся регенеративная теплота расходуется на соответствующее уменьшение расхода горючего и окислителя;

3) регенеративная теплота расходуется на увеличение расхода балластировочной воды в камеру испарения ВПГ.

Рассмотрим более подробно каждый из предельных случаев использования теплоты регенерации.

Если вся теплота идет на повышение температуры парогаза, то его давление и расход остаются без изменений, т.е. , а и .

Температуру парогаза перед турбиной с учетом регенерации определяем по уравнению теплового баланса:

, Вт

где , - энтальпия перегретого водяного пара без регенерации и с регенерацией, соответственно кДж/кг.

Здесь и далее все теплофизические и термодинамические свойства воды и водяного пара определяются по [3].

При p = 6,5 МПа и T₀ = 950 К h₀ = 3836,9 кДж/кг, тогда

Этой энтальпии парогаза соответствует температура T_p = 1113 К, что превышает максимальную температуру парогаза с учетом возможного разброса характеристики на 40 К. Но для анализа влияния регенерации на эффективность ВПУ предположим, что T_p = 1113 К – допустимая температура парогаза, тогда относительное изменение температуры парогаза будет

.

При увеличении температуры в 1,172 раза адиабатическая работа увеличится во столько же раз. Условная скорость увеличится в = 1,083 раза, и приведенная окружная скорость уменьшится также в 1,083 раза. Если принять давление пара на входе и выходе из турбины постоянными и равными Р₀ = 6,5 МПа и Р_вых = 0,15 МПа соответственно, то КПД турбины уменьшается в 1,006 раз, т.е. его относительное изменение – 0,994.

Тогда, при постоянстве расхода пара, получим относительное изменение мощности на валу турбины

,

где .

Здесь – мощность на валу турбины с учетом регенерации, МВт; N₀ – тоже, без учета регенерации, МВт.

Тогда

.

Но, одновременно с увеличением выработки электроэнергии снижается тепловая мощность, отпускаемая потребителю, на величину Q_p, следовательно, КИТ для когенерационного режима определяется по формуле

,

а КИТ тригенерационного режима

,

,

.

Если всю теплоту регенеративного подогрева направить на уменьшение расхода горючего и окислителя, то соответствующее изменение расхода водорода определится по формуле

.

Тогда относительное изменение расхода водорода составит

.

Таким образом, расход водорода изменился с коэффициентом 0,892, соответственно расход кислорода изменился аналогично. А т.к. тепловая мощность водородного парогенератора не изменилась, то расход воды на завесу, регенеративное охлаждение камеры сгорания и балластировку в камере испарений остался таким же, т.е. G = 4,36 кг/с.

В результате расход пара на турбину уменьшится и составляет

Для относительного изменение КПД турбины при изменении расхода пара получим, что при уменьшении расхода до = 0,971, относительное изменение КПД турбины составляет 0,999 – т.е. практически не изменится.

Тогда, при L₀ = const, получим относительное изменение мощности на валу турбины

.

Соответственно электрическая мощность

.

Наряду с уменьшением электрической мощности, при уменьшении расхода пара уменьшается и количество отпущенной теплоты.

Действительно,

Q = D·Δh,

где Δh – изменение

Т.е. количество теплоты изменяется пропорционально расходу пара, тогда

.

Здесь – отпускаемая теплота с учетом регенерации.

КИТ для когенерационного режима при изменении расхода пара на турбину определяется по формуле

,

а КИТ для тригенерационного режима

.

Следовательно:

,

Если регенеративная теплота расходуется на соответствующее увеличение расхода воды на балластировку в камере испарения, то это приводит к увеличению общего расхода пара при неизменных температурах, давлении пара на входе в турбину и расходе компонентов топлива.

Питательная вода поступает в ВПГ с t^’ = 80 °С при давлении 8,0 МПа где испаряется и получившийся водяной пар перегревается до t^’’ = 677 °С. Дополнительный расход балластировочной воды определяется по формуле

, кг/с

где h’ = 341,3 кДж/кг – энтальпия воды на входе в ВПГ;

h’’ = h₀ = 3836,9 кДж/кг – энтальпия перегретого пара на выходе из ВПГ.

.

Тогда общий расход на турбину будет

.

Относительный расход пара на турбину

.

Соответствующее относительное изменение КПД турбины – 0,983.

Относительное изменение мощности на валу турбины при L₀ = const будет

,

и электрическая мощность

МВт.

Т.к. в рассматриваемом случае Q_T = const, то КИТ для погенерационного режима при увеличении расхода балластировочной воды определяется по формуле

,

а для тригенерационного режима

.

Получим:

,

.

Рассчитанные значения КИТ для различных режимов сведем в табл. 1.

Таблица 1

Изменение КИТ ВПУ

Вариант регенерации	Режим
	когенерационный	тригенерационный
Без регенерации	0,975	0,968
Вся теплота регенерации идет на повышение температуры пара	0,9	0,78
Вся теплота регенерации идет на уменьшение расхода топлива	0,84	0,72
Вся теплота регенерации идет на увеличение расхода балластировочной воды	0,89	0,76

Из таблицы видно, что самый низкий КИТ у варианта уменьшения расхода топлива. Для всех вариантов КИТ для тригенерационного режима меньше, чем для когенерационного. Это связано только с величиной холодильного коэффициента АБХМ. В случае применения двух или трехступенчатых АБХМ, КИТ при тригенерационном режиме может быть больше или равен КИТ когенерационного режима.

Теоретически, эффективность ВПУ можно повысить пристройкой с ПТУ, работающей по органическому циклу Ренкина (ОРЦ) рабочим телом в котором может быть, например, фреон R134а. В этом случае источником теплоты для ОРЦ (испаритель) может выступать при когенерационном режиме - ОК 9 или дополнительно установленный перед конденсатором охладитель пара. При тригенерационном режиме испарителем может быть ОП 11. Пар фреона из испарителя подаётся в паровую турбину ОРЦ, где совершает работу. Турбина ОРЦ соединяется со своим электрогенератором. Отработавший в турбине пар конденсируется в воздушном конденсаторе, и жидкий фреон снова попадает в испаритель.

Безусловно, организация низкотемпературного бинарного цикла ВПУ требует всестороннего энергетического и технико-экономического анализа с учётом возможного регулирования отпуском электроэнергии и теплоты при регенеративном подогреве компонентов топлива и питательной воды для ВПГ.

Вообще, любой вид регенерации выхлопа турбины ВПУ будет менее эффективен энергетически, чем работа установки без регенерации, из-за уменьшения отпуска тепловой энергии.

Регенерацию теплоты в ВПУ можно рассматривать лишь как дополнительный вариант регулирования отпуском тепловой и электрической энергии в приемлемом для большинства турбин диапазоне изменения параметров. Причем изменение выработки энергии будет происходить автоматически при изменении степени регенерации. Под степенью регенерации необходимо понимать отношение текущего и максимального количества теплоты, идущего на регенерацию.