3813

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А.Лебедева

КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекционным, практическим и семинарским занятиям по дисциплине «Когенерационные установки»

для обучающихся по направлению подготовки13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Тепломассообменные процессы и установки

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК 620.9:502.3

Лебедева Е.А. Когенерационные установки [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. /Е.А.Лебедева; Нижегор. гос. архитектур. - ст роит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. –34 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Представлена информация по способам реконструкции котельных в мини-ТЭЦ, приведены указания по содержанию и последовательности проведения лекционных, практических и семинарских занятий по дисциплине «Когенерационные установки», даны рекомендации по выполнению самостоятельной работы.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ по проведению лекционных, практических, семинарских занятий, выполнения индивидуальных заданий и курсовой работы по направлению подготовки подготовки13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Тепломассообменные процессы и установки

Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной образовательной программе направления подготовки подготовки13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Тепломассообменные процессы и установки, одобренной решением научнотехнического совета (НТС) от «9 » июня 2015г. Протокол № 2

.

© ЕА.Лебедева, 2016

© ННГАСУ, 2016

2

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Цели освоения учебной дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной дисциплины Б1.В.ДВ.3.3 Когенерационные установки являются:

- формирование теоретических знаний и практических навыков по вопросам создания когенерационных технологий на базе котельных установок, способам модернизации действующих котельных в мини - ТЭЦ;

- формирование умений сделать обоснованный выбор эффективного типа когенерационных установок с целью дальнейшего применения освоенных профессиональных компетенций в профессиональной деятельности

В процессе освоения дисциплины студент должен Знать:

- перспективные способы совместного производства тепловой и электрической энергии, количественные и качественные показатели процесса когенерации, эффективное оборудование когенерационных установок, способы улучшения эксплуатационных характеристик, повышения экологической безопасности и экономии ресурсов;

-современные методы исследования технологических процессов генерации тепловой и электрической энергии, инженерные методы проектирования когенерационных установок, методики технико-экономического обоснования эффективности предложенного оборудования;

-современное оборудование для процессов генерации тепловой и электрической энергии, инженерные методы проектирования когенерационных установок, эффективное оборудование для производства тепловой и электрической энергии, технологии реконструкции действующих и проектируемых котельных в мини - ТЭЦ.

Уметь:

-охарактеризовать специфику производства различных видов энергии, в том числе

вкогенерационных установках, выбирать серийное и проектировать новое эффективное энергетическое оборудование систем когенерации, выполнить экологическую оценку когенерационной установки и технико-экономическое обоснование;

-выполнять технические расчеты по проектированию когенерационных установок на базе котельных, проводить теплотехнические испытания когенерационных установок с целью выявления эффективности работы оборудования мини-ТЭЦ, разрабатывать новое теплотехническое и теплотехнологическое оборудование;

-сопоставить методы одновременной выработки тепловой и электрической энергии на базе котельных установок, выявить степень совершенства действующего оборудования котельной, предложить наиболее совершенное оборудование мини-ТЭЦ, создать новые технологические схемы производства тепловой и электрической энергии.

Владеть:

-критериями оценки способов выработки различных видов энергии, спецификой работы когенерационных установок на базе котельных, способами определения энергетической и экологической эффективности технологических процессов с целью разработки мероприятий по повышению экологической безопасности и экономии органического топлива;

4

-методиками технических расчетов и технологией проектирования когенерационных установок на базе котельных, способами определения термического КПД и технологиями проведения эксергетического анализа энергетических установок, методиками проведения численных исследований и натурных испытаний энергетического оборудования;

-информацией об эффективности серийного оборудования, способами расчета энергетического оборудования когенерационных систем, умением разработки новых технологических решений при реконструкции действующих котельных в мини-ТЭЦ.

Данная дисциплина позволит студентам систематизировать полученные теоретические знания в области реконструкции котельных в мини-ТЭЦ; выявить наиболее эффективное электрогенерирующее оборудование; укрепить практические навыки анализа и расчета качественных показателей работы энергетического оборудования с использованием современных отечественных и зарубежных достижений.

Таблица 1. Очная форма обучения

1.2 Содержание дисциплины

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:

Раздел 1. Основы и сущность процесса когенерации на базе котельных установок.

Когенерация как путь развития малой энергетики. Сущность процесса когенерации. Виды когенерационных установок. Модернизация действующих котельных в мини-ТЭЦ. Корректировка тепловой схемы котельной установки.

Раздел 2. Когенерационные технологии с выработкой электроэнергии паровыми турбинами малой мощности.

Паротурбинные мини-ТЭЦ. Характеристики паровых турбин малой мощности. Сопоставление термодинамических циклов конденсационной и противодавленческой турбин. Влияние параметров пара на КПД турбинной установки. Энергоагрегаты с паровыми турбинами. Преимущества и недостатки паротурбинных мини-ТЭЦ.

Раздел 3. Когенерационные установки с выработкой электроэнергии газопоршневыми агрегатами.

Газо-поршневые мини-ТЭЦ. Характеристика термодинамического цикла газопоршневых двигателей. Газопоршневые электроагрегаты. Конструкции. Способы утилизации уходящих газов. Котлы-утилизаторы. Выбор. Теплотехнический расчет. Преимущества, недостатки мини-ТЭЦ с газо-поршневыми двигателями.

5

Раздел 4. Когенерационные установки с выработкой электроэнергии газовой турбиной.

Газотурбинные мини-ТЭЦ. Характеристика термодинамического цикла газовой турбины. Характеристика процесса горения в газовой камере турбоустановки. Способы утилизации теплоты уходящих газов. Преимущества, недостатки газотурбинных миниТЭЦ.

Раздел 5. Парогазовые когенерационные установки на базе паро-водогрейной котельной

Парогазовые установки. Принципиальные схемы. Термодинамические циклы. Парогазовые установки на базе паро-водогрейной котельной. Преимущества и недостатки парогазовой мини-ТЭЦ.

Раздел 6. Экологическая и экономическая оценка когенерационных установок на базе котельных.

Экологическая оценка когенерационных установок. Охрана воздушного бассейна от выбросов когенерационных установок. Расчет окупаемости когенерационных установок

1.3 Порядок освоения материала

Студенты предварительно знакомятся с программой курса; в качестве раздаточного материала выдается «Перечень лекций и практических занятий», озвучивается основной и дополнительный список рекомендуемой литературы, включающий учебники, учебные пособия по дисциплине.

В течение курса со студентами проводятся лекции, практические занятия, семинары - дискуссии, индивидуальные и групповые консультации по вопросам выполнения индивидуальных расчетных заданий и выполнению курсовой работы.

Весь часовой объем курса делится на академический (аудиторный) и самостоятельный. Основными формами реализации дисциплины являются лекции, практические занятия, включающие семинары-дискуссии, а также формы самостоятельной работы: подготовка к лекциям, семинарам - дискуссиям, практическим занятиям, выполнению расчет- но-графической работы, подготовка к промежуточной аттестации (экзамену).

6

2. Методические рекомендации по подготовке к лекционным занятиям

2.1.Общие рекомендации по проведению лекционных занятий

Лекции позволяют в максимально сжатые сроки представить значительный объем структурированной информации. Лекционные материалы по курсу имеют проблемнотематическую структуру и выстраиваются по принципам систематичности, последовательности и научности. Это дает возможность сформировать необходимые знания, соответствующие уровню современной науки, обеспечить создание верных представлений о необходимости создания когенерационных установок на базе котельных

Лекция - форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Важно понять, что лекция не является копией учебника, а скорее – обобщением многочисленной литературы, авторской разработкой, которая отражает опыт преподавателя и его представления о том, что студент должен знать.

Правильно законспектированный лекционный материал позволяет студенту создать устойчивый фундамент для самостоятельной подготовки, дает возможность получить и закрепить полезную информацию. Именно на лекции создаются основы для эффективной и плодотворной работы с информацией, которая требуется студенту, как в профессиональной, так и в повседневной жизни.

Восприятие лекции, и ее запись – это процесс постоянного сосредоточенного внимания, направленного на понимание рассуждений лектора, обдумывание полученных сведений, их оценку и сжатое изложение на бумаге в удобной для восприятия форме. То есть, самостоятельная работа студента на лекции заключается в осмыслении новой информации, и ее краткой рациональной записи. Правильно записанная лекция позволяет глубже усвоить материал, успешно подготовиться к практическим занятиям, зачетам и экзаменам.

2.2. Содержание лекционных занятий

Лекционные занятия разбиты по темам, название и содержание которых приведено ниже.

Тема: Сущность процесса когенерации. Виды когенерационных технологий.

В последние годы в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве все более осознается необходимость развития малой энергетики - комбинированного производства электрической и тепловой энергии на мини-теплоэлектроцентралях (мини-ТЭЦ), располагаемых в непосредственной близости от потребителя [1-2,4-6]. Это связано с постоянным удорожанием электроэнергии, учащением случаев возникновения аномальных шквальных ветров и заморозков, которые приводят к снижению надежности линий электропередачи (обрыву проводов) централизованного электроснабжения. При использовании когенерационных систем исключаются потери энергии (величины потерь электросетей лежат в пределах от 5 до 20% суммарной мощности).

Приводятся преимущества когенерационных установок по сравнению с раздельным производством тепловой и электрической энергии.

7

Котельная, в результате проектировании электрогенераторной установки на ее территории, по своим функциям превращается в мини-ТЭЦ, то есть в когенерационную установку.

В зависимости от типа двигателей электрогенерирующей установки различают:

-мини-ТЭЦ с паровыми турбинами;

-мини-ТЭЦ с поршневыми газогенераторами;

-мини-ТЭЦ с газовыми турбинами;

-парогазовые мини-ТЭЦ.

Теоретической базой создания теплоэнергетических машин и установок является термодинамика [7-9] . Когенерация - термодинамическое производство двух или более форм полезной энергии из единственного первичного источника энергии.

Поэтому в процессе лекции проводится экспресс-опрос по изученным ранее законам термодинамики и свойствам рабочих тел, используемых в тепловых двигателях.

Обосновывается необходимость изучения термодинамических циклов тепловых двигателей, выявления их эффективности методами теплового и эксергетического балан-

сов [7-17].

Тема: Схемы мини-ТЭЦ с паровыми турбинами. Преимущества и недостатки паротурбинных мини-ТЭЦ

Особенностью мини-ТЭЦ данного типа является применение паровой турбины, как теплового двигателя для получения электроэнергии в когенерационной установке.

Паровые турбины используются в качестве основных двигателей промышленных когенерационных систем в течение многих лет [13]. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.

Особого внимания заслуживает тот факт, что в паровой турбине используется для производства электроэнергии сбросная энергия редукционно-охладительной установки.

Это обуславливает минимальную себестоимость полученной электроэнергии по сравнению с другими электрогенераторами (газовой турбиной, поршневым двигателем).

Рассматриваются свойства водяного пара как рабочего тела паровых турбин [7- 9 и др.]. Отмечается, что условиями для длительной и надежной работы турбогенератора яв-

турбины. Эта проблема решается установкой пароперегревателя [18-20], причем переход на использование перегретого пара повышает технологические характеристики турбины

[13].

Паровые турбины в мини-ТЭЦ бывают двух типов:

- с противодавлением (когда давление пара на выходе турбины выше атмосферно-

го);

- конденсационные (когда давление пара на выходе турбины ниже атмосферного). Приводятся схемы с противодавленческой и конденсационной турбинами, выяв-

ляются преимущества и недостатки каждой из схем.

Приводятся основные производители паровых турбин малой мощности и характеристики турбин, используемых в мини - ТЭЦ для производства электроэнергии.

8

Тема: Термодинамические процессы в паровой турбоустановке.

Термодинамический подход к изучению работы любой когенерационной установки применяют потому, что в ней осуществляется термодинамический цикл.

В паротурбинной установке это следующий тепловой цикл [7-11,13]: в котле вода превращается в пар (насыщенный или перегретый) и приобретает запас тепловой энергии, который в паровой турбине частично превращается в работу; в конденсаторе (или в теплообменнике), часть теплоты передается охлаждающей воде; отработанный конденсат возвращается насосом в котел, затем весь цикл повторяется.

Законы превращения теплоты в работу изучается технической термодинамикой. Паротурбинная установка это непрерывно действующий тепловой двигатель, рабо-

тающий на воде и водяном паре.

Состояние основных рабочих тел - воды и пара - определяется рядом характеристик, которые называются параметрами состояния. Важнейшие из них - давление, температура, удельный объем, энтальпия, энтропия.

Проводится экспресс-опрос студентов по остаточным знаниям в области технической термодинамики.

Характеристики термодинамических процессов представляются в диаграммах p-v, T-s, h-s. В диаграмме p-v удобно изображать работу расширения пара в турбине; T-s – теплоту, подведенную в процессе, а диаграмма h-s используется для расчетов и анализа работы паровых турбин.

Проводится анализ таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. Анализируются термодинамические циклы паротурбинных установок. Доказывает-

ся, почему в них не может быть применен наиболее термодинамический совершенный цикл Карно. Приводится цикл Ренкина для паросиловой установки (конденсационной турбины) и цикл противодавленческой турбины.

Для построения циклов конденсационной и противодавленческой турбин в h,S – диаграмме необходимо определить параметры в основных точках цикла. Найденные значения термодинамических параметров записываются в форме таблицы и анализируются.

Далее рассматриваются способы выявления энергетической эффективности паротурбинных установок, включая термический и эксергетический КПД [10-11,16-17], а также повышение эффективности использования органического топлива [18-19].

Тема: Схема мини – ТЭЦ с поршневыми двигателями. Тепловые процессы в поршневых двигателях. Термодинамические циклы.

Поршневые двигатели, используемые в мини-ТЭЦ, обладают, с одной стороны, соизмеримой с турбинами эффективностью в части генерации электроэнергии [4-6, 9, 15]. С другой стороны, создание когенерационных систем на базе поршневых двигателей осложнено рассеиванием тепловой энергии, часть которой отводится системой охлаждения двигателя (двигатель и масло, используемое в системе смазки, должны постоянно охлаждаться), а также пульсирующим характером потока отходящих газов (с температурой на уровне 400° С).

На практике применяют два типа поршневых двигателей:

9

-с воспламенением от сжатия (аналог автомобильного или судового дизеля), которые могут работать на дизельном топливе или природном газе. На рынке доступны модели от единиц киловатт до 15 МВт выходной электрической мощности. Несмотря на повсеместную тенденцию использовать газ (в основном по экологическим причинам), в некоторых случаях (отсутствие газопровода, цена строительства, время работы) экономически оправданно использовать дизельное топливо;

-с искровым зажиганием (аналог автомобильного бензинового двигателя). Элек-

трическая выходная мощность двигателей этого типа, как правило, на 15—20% ниже, чем у дизелей (ограничивается специально для предотвращения детонации). Двигатели с искровым зажиганием могут работать на чистом газе (природный газ, биогаз и др.)

Ниже приведено описание принципа работы четырехтактного ДВС[15].

Вверхнем крайнем положении поршня открывается впускной клапан и воздух при движении поршня вниз (первый такт) заполняет внутреннюю полость цилиндра. При последующем ходе поршня вверх (второй такт), происходит сжатие воздуха в цилиндре с повышением его температуры до значения, превышающего самовоспламенения топлива.

Незадолго до прихода топлива в крайнее верхнее положение – верхнюю мертвую точку (в.м.т.) – в цилиндр через горелку (или форсунку) под большим давлением подается топливо; начинается процесс горения топлива сначала при постоянном объеме с повышением давления в цилиндре, а затем при постоянном давлении (в начале третьего такта рабочего хода).

По окончании горения топлива происходит расширение образовавшихся при этом газов и перемещение поршня вниз (вторая часть третьего такта).

По приходе поршня в нижнюю мертвую точку (н.м.т.) открывается выпускной клапан, давление газов понижается, отработавшие газы на протяжении всего последующего хода поршня вверх (четвертый такт) удаляются из цилиндра. Затем все описанные процессы повторяются.

Всвязи с тем, что процессы впуска воздуха и выпуска отработавших газов (первый

ичетвертый такты) являются процессами чисто механическими, а не термодинамическими, на pv- и Ts-диаграммах их не показывают.

Втермодинамике рассматриваются так называемые термодинамические циклы, состоящие только из обратимых процессов. При этом предполагается, что рабочим телом является идеальный газ, теплота подводится к нему извне. Кроме того предполагается отсутствие трения, лучеиспускания и других необратимых явлений, сопровождающих работу двигателей.

Теоретические циклы поршневых двигателей [9,15] разделяются на:

- цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (состоит из двух адиабат и двух изохор);

- цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (состоит из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры);

- цикл с комбинированным подводом теплоты (состоит из двух адиабат, одной изобары и двух изохор);

Следует обратить внимание на то, что процессы, по которым работают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), являются необратимыми. Действительно, во всех реально существующих ДВС теплота подводится к рабочему телу путем сжигания топлива внутри цилиндра двигателя, а процесс сгорания является необратимым. Кроме того, работа ре-

10