Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Исследования газотурбинной установки с тепловым насосом с учетом переменного графика тепловой нагрузки

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2006»

Клер А.М., Маринченко А.Ю., Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Иркутск, Россия

В современных экономических условиях разработка и использование перспективных теплоэнергетических установок (ТЭУ) невозможна без подробного технико-экономического анализа их эффективности. Экономическая эффективность ТЭУ определяется необходимыми капиталовложениями и ее энергетической эффективностью, которая, в свою очередь, зависит от конструктивных и термодинамических параметров установки. Поэтому проведение полноценного анализа невозможно без знания характеристик установки, определяющих ее экономическую эффективность (капиталовложения в элементы установки, объем используемого топлива, количество производимой электрической и тепловой энергии и т.д.). С другой стороны, из-за сложности процессов, протекающих в элементах ТЭУ выбор конструктивных характеристик и параметров, определяющих режим ее работы, является весьма трудной задачей. Кроме этого, технико-экономические исследования

перспективных теплофикационных установок связаны с неопределенностью исходной информации (цен на топливо, элементы оборудования и т.д.). Прежде всего, это касается установок малой мощности, осуществляющих энергоснабжение изолированных потребителей. Важной отличительной особенностью эксплуатации многих ТЭУ (в первую очередь теплофикационных) является то, что для них характерны переменные графики нагрузки. Так, тепловые нагрузки зависят от температуры наружного воздуха, т.е. для них характерны сезонные колебания. Электрические же нагрузки, помимо сезонных, характеризуются колебаниями в течение суток.

Эффективное решение этой задачи невозможно без применения современных методов математического моделирования и оптимизации.

Одним из наиболее рациональных способов повышения энергетической эффективности ТЭУ является использование теплонасосных установок (ТНУ). Применение теплонасосных установок, позволяющих трансформировать энергию низкотемпературного источника тепла до более высоких температур, пригодных для целей теплоснабжения является одним из наиболее эффективных способов экономии органического топлива в системах теплоснабжения.

Наиболее перспективными для эффективного использования ТНУ являются отопительная нагрузка и нагрузка горячего водоснабжения. Однако, существующие тепловые насосы не могут поднять ее до требуемых потребителю параметров (как правило 95 °С) и обеспечивают 50 - 60 °С. Поэтому часть тепла необходимо производить с помощью более дешевого, хотя энергетически и менее эффективного теплоисточника. В качестве такого пикового источника тепла можно использовать выхлопные газы газовой турбины. Таким образом, весьма перспективной представляется комбинированная теплопроизводящая установка, состоящая из газовой турбины и теплового насоса.

В данной работе представлена методика, позволяющая проводить технико-экономические оптимизационные исследования перспективных теплоэнергетических установок с учетом переменных условий их функционирования. С помощью этой методики проведены технико-экономические исследования газотурбинной установки с тепловым насосом.

Постановка задачи оптимизации ТЭУ с учетом переменного графика ее работы.

Задача оптимизации ТЭУ в общем виде может быть сформулирована следующим образом. Требуется найти такой набор параметров установки, определяющих конструктивные решения, и параметров, определяющих работу установки в характерных режимах, при которых обеспечивается требуемый отпуск тепла и электроэнергии потребителям и достигается максимальная экономическая эффективность ТЭУ.

В качестве критерия экономической эффективности для ТЭУ может быть использована внутренняя норма возврата капиталовложений (IRR) при заданных ценах тепла и электроэнергии. Однако может решаться и обратная задача - минимизация цены отпускаемой энергии (тепловой и электрической) при заданной норме возврата капиталовложений. При этом задается коэффициент пропорциональности между ценами тепла и электроэнергии.

Применительно к ТЭУ, которая использует органическое топливо и производит тепло и электроэнергию задача на максимум IRR имеет вид:

требуется найти

Как показали исследования, такие задачи являются весьма сложными задачами нелинейного математического программирования, с большой (для этого класса задач) размерностью. Оптимизация конструктивных и режимных параметров ТЭУ в рамках единой оптимизационной задачи является труднореализуемой, что обусловлено большими затратами вычислительных ресурсов. В связи с этим ранее (см. например [1]) использовался упрощенный метод, основанный на решении ряда более простых задач оптимизации конструктивных и режимных параметров установки в отдельных режимах. Однако такой метод решения зачастую не позволяет получить удовлетворительные результаты, достаточно близкие к оптимальным.

Поэтому в данной работе была вновь предпринята попытка решить задачу согласованной оптимизации конструктивных и режимных параметров ТЭУ.

Результаты оптимизационных исследований.

С помощью предложенного метода были проведены исследования комбинированной теплопроизводящей установки, состоящей из газотурбинной установки и теплового насоса (рис. 1).

Оптимизационные исследования данной установки проводились с помощью Системы Машинного Построения Программ (СМПП), разработанной в ИСЭМ СО РАН [2], [3]. В расчетах применены использованные в ранее выполненных работах института ([1], [2]) математические модели различных элементов установки (камеры сгорания, водогрейного теплообменника, компрессора ТНУ, конденсатора, испарителя). Расчет термодинамических и транспортных свойств рабочего тела теплового насоса проводился с помощью данных, приведенных в [4] для фреона Ф-12.

Исследования проводились для установки с полезной электрической мощностью 20 МВт и расчетной теплопроизводительностью 25 Гкал/ч.

Было выделено шесть характерных режимов работы. Тепловые и электрические нагрузки внешних потребителей в этих режимах, а также их продолжительности представлены в табл. 1. Отпуск тепла потребителю производится в виде горячей воды по температурному графику 150/70 °С. В качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса используется вода с постоянной в течение года температурой, равной 15 °С. Охлаждение воды допускалось до температуры не ниже 5°С. Температуры наружного воздуха в принятых характерных режимах приведены в табл.1.

Согласно представленной выше методики, необходимо провести конструкторский расчет установки в режиме с максимальными нагрузками, для определения конструктивных характеристик установки, и ряд поверочных расчетов во всех характерных режимах, для определения расхода топлива за год.

В расчетном режиме температура обратной сетевой воды около 60°С. Существующие тепловые насосы не могут нагреть сетевую воду выше этих значений. Поэтому в режиме с максимальными тепловыми нагрузками ТНУ не работает. В то же время, в остальных характерных режимах тепловой насос вносит значительный вклад в теплопроизводительность установки. Поэтому общие конструктивные характеристики установки определялись после двух конструкторских расчетов. Один из них проводился в расчетном режиме, и с его помощью определялись характеристики газовой турбины, воздушного компрессора, воздухонагнетателя и водогрейного котла-утилизатора. Второй проводился в четвертом характерном режиме, и с его помощью определялись конструктивные характеристики элементов ТНУ (испарителя, конденсатора, хладонового компрессора).

Другой отличительной особенностью рассматриваемой установки (выбранного соотношения тепловой и электрической нагрузок и температурного графика) является то, что в неотопительном периоде работа ТНУ не требуется. Нагрев воды для ГВС может быть осуществлен за счет уходящих газов газовой турбины, без сжигания топлива в дополнительной камере сгорания. Если турбина не работает (проведение ремонтных работ, аварийная ситуация и т.п.), то нагрев воды до требуемых параметров осуществляется с помощью ТНУ и котла-утилизатора с дополнительной камерой сгорания.

Учитывая приведенные выше особенности, с помощью СМПП была сформирована единая расчетная программа, позволяющая провести согласованный оптимизационный расчет конструктивных и режимных параметров данной установки. В этой программе сначала проводится конструкторский расчет в режиме с максимальными нагрузками и конструкторский расчет в четвертом характерном режиме. На основании этих расчетов формируется массив конструктивных характеристик установки (объединяющий оба расчета), который передается в поверочные расчеты. Далее проводятся поверочные расчеты для 1-5 характерных режимов. Показатели шестого режима определяются с помощью двух расчетов. В первом тепловой насос не работает, и нагрев воды осуществляется уходящими газами ГТУ. Во втором не работает ГТУ, и нагрев воды осуществляется с помощью ТНУ и котла-утилизатора.

Таким образом, в расчетной программе последовательно проводится два конструкторских и семь поверочных расчетов. На основании данных, полученных в результате этих расчетов, определяются технико-экономические характеристики установки (капиталовложения, годовой расход топлива, годовое производство тепла и электроэнергии) и целевая функция оптимизационной задачи.

Оптимизация проводилась по критерию минимума цены отпускаемой энергии (тепловой и электрической) при заданной норме возврата капиталовложений (14%). Коэффициент пропорциональности между тепловой и электрической энергией принимался равным 0,001 Гкал/кВт ч.

Расчеты проводились при двух значениях цены топлива - 70 и 100 дол./т у.т. Итоговые технико-экономические показатели установки представлены в табл. 2

Оптимизационные расчеты показали, что увеличение цены топлива (при неизменных входных термодинамических параметрах) приводит к новому конструктивному решению. Возрастает доля тну в общей теплопроизводительности установки от 3,8 гкал/ч при 70 дол./т у.т. До 6,4 гкал/ч при 100 дол./т у.т., что приводит

к увеличению капиталовложений. Однако, если в первом случае (70 дол./т у.т.) Требуется подача топлива в дополнительную камеру сгорания во всех режимах кроме 5 и 6. То во втором (100 дол./т у.т.), подача топлива в дополнительную камеру сгорания требуется только в 1 и 2 режимах. В остальных (3 - 6) режимах нагрев сетевой воды до требуемых параметров осуществляется за счет уходящих газов турбины и теплового насоса. В свою очередь это приводит уменьшению годового расхода топлива (см. Табл. 1).

Заключение.

1. В данной работе представлена методика согласованной оптимизации конструктивных и режимных параметров ТЭУ с учетом переменных тепловых и электрических нагрузок. Представленная методика может быть использована для оптимизационных исследований ТЭУ различного уровня мощности.

2. Оптимизация конструктивных и режимных параметров ТЭУ в рамках единой оптимизационной задачи является весьма сложной задачей нелинейного математического программирования, с большой (для этого класса задач) размерностью. Это приводит к большим затратам вычислительных ресурсов. Решением данной проблемы может быть использование линеаризованных зависимостей выходных параметров поверочных расчетов от их входных параметров [5]. Использование линейных зависимостей позволит значительно сократить время расчета.

3. С помощью представленной методики выполнены оптимизационные расчеты газотурбинной установки с тепловым насосом при двух значениях цены топлива. Результаты расчетов показали, что при увеличении цены топлива доля ТНУ в общей теплопроизводительности установки возрастает (в 1,7 раз). Это приводит к уменьшению годового расхода топлива, но возрастают капиталовложения в установку.

Работа выполнена при поддержке фонда «глобальная энергия», грант мг-2006/04/02 «технико-экономические оптимизационные исследования перспективных теплофикационных энергетических установок различного уровня мощности с учетом переменных условий их функционирования».

Литература.

1. Теплосиловые системы: оптимизационные исследования / А.М. Клер, Н.П. Деканова, Э.А. Тюрина и др. - Новосибирск: наука, 2005. - 236 с.

2. Методы оптимизации сложных теплоэнергетических установок / А.М. Клер, Н.П. Деканова, Т.П. Щеголева и др. - Новосибирск: во "наука". Сиб. Издат. Фирма, 1993. - 116 с.

3. Клер A.M., Скрипкин С.К., Деканова Н.П. автоматизация построения статических и динамических моделей теплоэнергетических установок // изв. Ран. Энергетика. - 1996. -№3.- с. 78 -84.

4. Богданов СВ., Иванов О.П., Куприянова А.В. свойства рабочих веществ, теплоносителей и материалов, используемых в холодильной технике. - л.: изд-во ленингр. Ун-та, 1972. - 148с.

5. Клер А.М., Маринченко А.Ю., Сушко С.Н. оптимизация паротурбинного энергоблока угольной мини-ТЭЦ с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок // теплофизика и аэромеханика. - 2006. - т. 13, №2. - с. 303-314.