4857

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

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А.Лебедева

КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА БАЗЕ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим и семинарским занятиям для обучающихся по дисциплине

«Когенерационные технологии на базе котельных установок» направлению подготовки 08.04.01 Строительство

профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий

(Заочная форма обучения)

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК 620.9:504

Лебедева Е.А. Когенерационные технологии на базе котельных установок [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. /Е.А.Лебедева; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. –45 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Представлена информация по способам расчета и проектирования мини-ТЭЦ на базе котельных установок, приведены указания по содержанию и последовательности проведения лекционных, практических и семинарских занятий, выполнению курсовой работы по дисциплине «Когенерационные технологии на базе котельных установок», даны рекомендации по выполнению самостоятельной работы.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий

Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной образовательной программе направления 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий, одобренной решением научно-технического совета (НТС) от «9 » июня 2015г. Протокол № 2.

© ЕА.Лебедева, 2016

© ННГАСУ, 2016.

2

3

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Цели освоения учебной дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной дисциплины Б1.В.ДВ.2 Когенерационные технологии на базе котельных установок 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 автономных электрогенерирующих установок, устанавливаемых в котельных.

В процессе освоения дисциплины студент должен

Знать:

- перспективные способы совместного производства тепловой и электрической энергии;

-количественные и качественные показатели процесса когенерации;

-современные методы исследования технологических процессов генерации тепловой и электрической энергии;

-методику проведения теплотехнических испытаний когенерационных установок

сцелью выявления эффективности работы оборудования мини-ТЭЦ;

-инженерные методы проектирования когенерационных установок;

-методики технико-экономического обоснования эффективности предложенного оборудования.

Уметь:

-охарактеризовать специфику производства различных видов энергии, в том числе

вкогенерационных установках;

-выявить эффективное оборудование когенерационных установок;

-использовать способы улучшения эксплуатационных характеристик, повышения экологической безопасности и экономии ресурсов;

-выполнять технические расчеты по проектированию когенерационных технологий на базе котельных установок, включая методы расчетного обоснования;

-определить термический КПД и применить технологии проведения эксергетического анализа энергетических установок.

Владеть:

-критериями оценки способов выработки различных видов энергии;

-способами определения термического КПД и технологиями проведения эксергетического анализа энергетических установок;

-способами определения энергетической и экологической эффективности технологических процессов с целью разработки мероприятий по повышению экологической безопасности и экономии органического топлива;

-способами расчета качественных показателей работы энергетического оборудования по результатам теплотехнических испытаний;

-методиками технических расчетов и технологией проектирования когенерационных установок на базе котельных.

Данная дисциплина позволит студентам систематизировать полученные теоретические знания в области реконструкции котельных в мини-ТЭЦ; выявить наиболее эффек-

4

тивное электрогенерирующее оборудование; укрепить практические навыки анализа и расчета качественных показателей работы энергетического оборудования с использованием современных отечественных и зарубежных достижений.

Таблица 1.Заочная 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.

Паро-турбинные 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.

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 газо-турбинных миниТЭЦ.

5

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 па- ро-газовой 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 проводимых занятий», озвучивается основной и дополнительный список рекомендуемой литературы, включающий учебники, учебные пособия по дисциплине.

Втечение курса со студентами проводится обзорная лекция, комплекс практических

исеминарских занятий, проводятся 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: обзорная лекция, практические занятия, включающие семинары-дискуссии, а также формы самостоятельной работы: подготовка по материалу обзорной лекции, семинаров - дискуссий, практических занятий, выполнение курсовой работы, подготовка к промежуточной аттестации (экзамену).

6

2. Методические рекомендации по подготовке к лекционным занятиям

2.1. Общие рекомендации по проведению обзорной лекции

Обзорная лекция позволяет в максимально сжатые сроки (2часа) представить значительный объем структурированной информации. 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 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 обзорной лекции

Тема обзорной лекции: Сущность процесса когенерации. Виды когенерационных технологий. Схемы мини-ТЭЦ с различными типами электрогенерирующих установок. Термодинамические процессы в мини-ТЭЦ

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].

Схемы мини-ТЭЦ с паровыми турбинами. Преимущества и недостатки паротурбинных мини-ТЭЦ. Термодинамические процессы в паровой турбо-

установке.

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 атмосферного);

-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 миниТЭЦ для производства электроэнергии.

8

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].

Схемы 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:

- с воспламенением от сжатия (аналог автомобильного или судового дизеля), которые могут работать на дизельном топливе или природном газе. На рынке доступны моде-

9

ли 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). Электрическая 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 реальных ДВС сопровождается трением, лучеиспусканием и другими необратимыми явлениями.

10