05.05.16 "Турбомашини та турбоустановки"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17135
Переглянути
2 результатів
Результати пошуку
Документ Науково-методологічні основи енергозбереження на базі турбоустановок малої потужності при утилізації вторинних енергетичних ресурсів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Сенецький, Олександр ВолодимировичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.16 "Турбомашини та турбоустановки" (142 – Енергетичне машинобудування) – Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова; Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Дорожчання викопних паливних ресурсів (газ, нафта, вугілля) призводить до більших витрат грошових коштів на промислових підприємствах, що використовують теплову енергію палива. Це у свою чергу змушує змінити ставлення до вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР) та, відповідно, енергії малого потенціалу, що скидається до навколишнього середовища, в різних галузях економіки України (комунальна енергетика, промисловість, газотранспортна система та інші). При виконанні завдань корисного використання ВЕР та відповідно впровадження енергозберігаючих заходів на об’єктах, що мають потенціал джерел скидної теплоти малого та низького потенціалу, який може використовуватися на основі впровадження циклів, які працюють на різних робочих тілах з турбінними установками, важливим є максимальна економічність роботи установки незалежно від режиму експлуатації. Реалізація електрогенеруючих установок малої потужності дозволить впровадити сучасну європейську стратегію децентралізації в енергетиці, регулювати піки енергетичної системи, використовувати наявний потенціал енергозбереження і поновлювані паливні ресурси, зупиняти потужні енергетичні блоки на поточний та капітальний ремонти. Чи не маловажним також є не тільки розробка концепції генерації енергії з використанням відновлюваних паливних ресурсів і вторинних енергетичних ресурсів, а й нових підходів до створення високоефективного енергетичного устаткування і технологічних схем виробництва теплової та електричної енергії з урахуванням особливостей енергоспоживаючих об’єктів. Існуючі підходи до розв’язання задачі енергозбереження є роздрібненими. Таким чином, узагальнення існуючих та створення сучасних енергозберігаючих рішень у різних галузях економіки України на об’єктах скидної енергії малого потенціалу та при спалюванні відновлювальних паливних ресурсів на основі впровадження турбоустановок малої потужності на різних робочих тілах на базі науково обґрунтованого комплексного методологічного підходу є вельми актуальною проблемою. Мета дисертаційної роботи полягає у підвищенні ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів на основі науково обґрунтованої методології створення когенераційних технологій при утилізації вторинних енергетичних ресурсів та впровадження турбоустановок малої потужності, що працюють на різних робочих тілах. Створено комплексний науково-методологічного підхід до розв’язання задач енергозбереження при використанні турбінних циклів на різних робочих тілах. Запропонований науково-методологічний підхід базується на теоретичному обґрунтуванні закономірностей, виявленні зв’язків та побудові структурованої послідовності щодо проведення досліджень з визначення доцільності впровадження енергозбереження на основі реалізації турбінних циклів за рахунок утилізації ВЕР. Це дозволило систематизувати існуючі роздрібнені підходи та розробити підхід, при якому будь-яка система (об’єкт) розглядається як сукупність взаємопов’язаних елементів (компонентів), що має вхід (ресурси), зв’язок із зовнішніми факторами, зворотний зв’язок між компонентами та вихідний результат (мета). Згідно теорії пізнання запропонований комплексний науково-методологічний підхід базується на фундаментальних наукових засадах на відміну від техніко-економічного обґрунтування (ТЕО), яке носить приватний та прикладний характер. Формування науково обґрунтованої методології вибору низькокиплячих робочих тіл (НРТ) і теплових схем турбінних циклів, в залежності від потенціалу вторинних енергетичних ресурсів для вироблення електричної енергії, є вкрай важливим при підвищенні енергоефективності технологічних процесів підприємств різних галузей економіки України. Така методологія дозволяє визначити витратні та параметричні характеристики основних потоків теплоти, вибрати на підставі цих характеристик основне й допоміжне обладнання, потужність і геометрію складових елементів теплових схем в залежності від потенціалу теплового джерела і режиму його роботи. Побудовано та запропоновано ієрархічну структуру комплексного науково-методологічного підходу до розв’язання цієї задачі включає у себе певну послідовність аналізу та розрахунку існуючих об’єктів, вибору та рекомендацій щодо впровадження енергозберігаючих технічних рішень. Сформований комплексний науково-методологічний підхід узагальнює існуючі та розроблені у роботі математичні моделі та методи для створення енергозберігаючих технологій з використанням турбін малої потужності на об’єктах економіки України. Згідно наведеної структури виконується відповідна послідовність розрахункових досліджень з визначення доцільності впровадження енергозберігаючого заходу та визначення масогабаритних і термогазодинамічних характеристик елементів теплової схеми. Дослідження об’єкту, який має у своєму складі ВЕР з подальшою їх утилізацією, починаються з першого ієрархічного рівня – техніко-економічного обґрунтування. Для початку виконання ТЕО необхідні вихідні дані: знання перспективних енергозберігаючих заходів при використанні ВЕР; наявні ВЕР (горючі, теплові та надлишкового тиску); потенційні споживачі холоду, теплової та електричної енергії; наявність технічної можливості реалізації проекту (споруд або території для будівництва). Проведення ТЕО потребує врахування властивостей робочих тіл, що використовуються у турбінних циклах та особливостей формування теплових схем для максимально точного визначення енергетичних характеристик установок. Виконано комплексний аналіз існуючих підходів до вибору робочих тіл. Це дозволило вперше узагальнити та сформувати критерії, яким вони повинні відповідати при використанні у енергогенеруючих установках. Реалізація турбінних циклів на НРТ при використанні скидної теплоти технологічних процесів і спалюванні відновлюваних паливних ресурсів дозволить виконати децентралізацію енергопостачання і забезпечити підприємства власною електричною енергією в повному обсязі або частково. Вибір структури теплової схеми, в залежності від потенціалу теплового джерела, грає важливу роль у формуванні енергоефективної тепло-, холодо- і електрогенеруючої установки. Вибір елементів теплової схеми відіграє важливу роль у виробленні теплової та електричної енергії, отже, кожен з них повинен бути підібраний під існуючі режими роботи енергетичної установки, що дозволить максимально ефективно використовувати паливно-енергетичні ресурси. Правильно оцінені витратні, газодинамічні та геометричні характеристики теплообмінного, турбінного і насосного обладнання дозволять вибрати з наявних або спроектувати нові складові об’єкти енергогенеруючої теплової схеми з характеристиками, що максимально підходять під умови експлуатації. Саме моделювання елементів теплової схеми дозволить в найкоротші терміни і з мінімальними витратами коштів оцінити масогабаритні та витратні характеристики теплообмінного, турбінного й насосного обладнання, і в свою чергу реалізувати раціональну енергогенеруючу установку. Необхідно відзначити, що в кожному окремому випадку здійснюється індивідуальний підхід з урахуванням обмежень, що пред’являються до теплообмінного, турбінного та насосного обладнання. Досліджено можливість утилізації теплової енергії, одержуваної від котла на біомасі, за допомогою когенераційної енергоустановки на базі турбінного циклу з НРТ, яка запропонована для автономного електро- і теплопостачання громадських будівель невеликих населених пунктів. Досліджено можливості підвищення електричного ККД енергоустановки за рахунок двокаскадного турбінного циклу на НРТ. Аналізувалося два варіанти реалізації теплової схеми енергоустановки: з відпустком теплоти температурою 70 °С (як при ГВП) й чисто конденсаційний режим. Як показали розрахунки, для досліджених робочих тіл при схемі для ГВП електрична потужність, що генерується 2-м каскадом у 4 рази менша, ніж першого каскаду, при конденсаційному режимі у 2 рази менша. Розрахункові дослідження показали, що при питомій ціні інвестиції 2000 USD/кВт, міні-ТЕЦ з встановленою електричною потужністю 110 кВт має термін окупності 3,2 роки при ціні на умовне паливо до 40 USD/т і цінах на електроенергію 2,2 грн/(кВт·год) і теплоту 2200 грн /Гкал. Якщо встановлена електрична потужність міні-ТЕЦ 440 кВт (340 кВт перший ORC контур і 100 кВт – другий) при цих же цінах на енергоносії той же строк окупності буде досягнуто вже при ціні на умовне паливо до 70 USD/т. Таким чином, проект міні-ТЕЦ на біомасі потужністю 110 кВт важко вважати перспективним для реалізації, доцільно реалізовувати міні-ТЕЦ, починаючи з електричної потужності 440 – 550 кВт, простий термін окупності такої станції при сучасних цінах на енергоносії складе 2,7 – 4 роки в залежності від питомої вартості обладнання. Розв’язано задачу підвищення ефективності використання теплоти димових газів об’єктів комунальної енергетики з урахуванням фактичних режимів експлуатації котельного устаткування для виробництва електричної енергії на основі реалізації замкнених паротурбінних циклів на НРТ. Проведено дослідження щодо вибору НРТ, що застосовуються в ORC контурах. Виконано розрахункові дослідження з оцінки рівня одержуваної електричної потужності при реалізації НРТ турбін на прикладі котельного агрегату. Розрахункові дослідження показали, що використання теплоти димових газів, без додаткового спалювання палива, обмежує максимальні температури НРТ і не дозволяє досягти максимальної потужності енергетичної установки ORC контуру через малий тепловий перепад, що припадає на турбіну. Більшу кількість теплоти можливо зняти тільки за рахунок збільшення витрати низькокиплячого робочого тіла, що є не завжди виправданим. Збільшення витрат робочого тіла тягне за собою збільшення масогабаритних характеристик теплообмінного, допоміжного та турбінного обладнання. На сучасному етапі розвитку замкнених паротурбінних циклів на НРТ, доцільним є вибір варіанта, який дозволить покривати власні потреби котельні в електричній енергії на рівні 5 – 10 % без додаткового спалювання палива. Виконувалося завдання з визначення техніко-економічних показників електрогенеруючої установки, що використовує теплоту димових газів та частково теплоту сітьової води комунальної водогрійної котельні на основі замкненого паротурбінного циклу на НРТ. При використання режимних карт міської котельні, що має у своєму складі чотири потужні водогрійні котли ПТВМ-100, розрахунковим шляхом показано, що при інвестиціях 792 тис. USD на енергоустановку відповідної потужності при існуючих цінах на енергоносії простий термін окупності складе 32 місяців (без урахування строку реалізації проекту). Збільшення потужності ORC відбувалося за рахунок відбирання частки теплоти від сітьової води (за умови збереження теплового навантаження) температура якої піднімалася шляхом допалювання природного газу. Збільшення терміну окупності проекту за незначного збільшення потужності енергетичної установки пов’язано з тим, що основний зиск від реалізації проекту полягає в економії природного газу при підігріві зворотної сітьової води низькокиплячим робочим тілом. Отримані результати показали, що при сучасних цінах на енергоносії, теплову та електричну енергії додаткове спалювання природного газу для виробництва електроенергії в ORC контурі є можливим лише за умови не перевищення терміну окупності проекту три роки. Результати проведених розрахункових досліджень з впровадження сумісної роботи утилізаційної турбодетандерної установки (УТДУ) та повітряної кліматичної системи (ПКС) на газорозподільних станціях (ГРС) показали, що використання на газорозподільній станції УТДУ спільно з ПКС дозволить ефективно використовувати енергетичний потенціал стисненого природного газу для обігріву приміщень станції та для підігріву природного газу після турбодетандера без використання зовнішніх енергоресурсів. Ключовим аргументом забезпечення енерго- і ресурсозбереження на ГРС за рахунок впровадження розробленої схеми є істотна економія природного газу, а також, що важливо, підвищення екологічної безпеки станції за рахунок відсутності викидів до атмосферного повітря продуктів горіння природного газу котлами. Необхідно відзначити, що УТДУ та ПКС працюють протягом усього року. У зимовий період (при мінус 25 °С) УТДУ дозволяє покрити власні потреби повітряної кліматичної системи, але у теплу пору року (при плюс 35 °С) виробляти надлишкову електричну енергію у кількості більш ніж 70 кВт, при забезпеченні кондиціонування приміщень. Період окупності запропонованого рішення в режимі підігріву (165 днів) та кондиціонування (160 днів) становить 4 – 5 років. Також у роботі проведено розрахункові дослідження з оцінки доцільності впровадження на ГРС зі споживачами різного тиску турбодетандеру осьового типу з проміжними відборами природного газу. Впровадження турбодетандерів осьового типу з проміжними відборами газу дозволить у повній мірі використовувати перепад тиску, а не тільки до найбільшого необхідного тиску (до менших значень газ дроселюється), як це реалізується на теперішній час. Ефективність роботи проточної частини турбодетандера такого тип при змінному режимі експлуатації у середньому 81 %, потужність при максимальному та мінімальному навантаженні становить 2678 кВт та 595 кВт, відповідно. Одержані в дисертаційній роботі результати наукових досліджень передані для подальшого використання до КП «Харківські теплові мережі» (м. Харків); ПАТ «Харківська ТЕЦ-5» (м. Харків); ПАТ «Турбогаз» (м. Харків). Методи та програмні засоби, що розроблені, застосовуються при виконанні науково-дослідних робіт у відділі оптимізації процесів і конструкції турбомашин Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (м. Харків) та проведенні учбового процесу підготовки бакалаврів і магістрів кафедри альтернативної електроенергетики та електротехніки Харківського національного університету міського господарства імені О.М. Бекетова та кафедри теплоенергетики і енергозберігаючих технологій Української інженерно-педагогічної академії (м. Харків).Документ Науково-методологічні основи енергозбереження на базі турбоустановок малої потужності при утилізації вторинних енергетичних ресурсів(Харківський національний університет міського господарства ім. О. М. Бекетова, 2021) Сенецький, Олександр ВолодимировичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.16 – турбомашини та турбоустановки. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020. Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню і розробці методологічного підходу енергозберігаючих заходів щодо підвищення ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів при виробництві теплової та електричної енергії на базі застосування турбоустановок малої потужності на різних робочих тілах. Обґрунтовано доцільність розв’язання задачі ресурсо- та енергозбереження шляхом реалізації турбінних установок на об’єктах скидної енергії малого потенціалу та при спалюванні відновлювальних паливних ресурсів. Проаналізовано особливості ORC технології, а також властивості робочих тіл, що застосовуються при розв’язанні подібних задач. На основі проведеного аналізу літературних джерел виконано узагальнення підходів щодо формування критеріїв вибору низькокиплячих робочих тіл для замкнених паротурбінних циклів. Вдосконалено та адаптовано математичну модель розрахунку теплових схем та їх складових елементів (теплообмінні апарати і турбіна) для розв’язання поставлених задач з врахуванням властивостей теплоносіїв. За допомогою вдосконаленого програмного комплексу виконано комплексні розрахункові дослідження, що дало можливість запропонувати нові рішення щодо компоновки теплових схем та визначення витратних й геометричних характеристик основних елементів енергогенеруючої установки (теплообмінники і турбіна). При цьому на кожному етапі розв’язувалась задача пошуку найбільш підходящого робочого тіла, раціональної компоновки турбінного циклу та вибору найбільш економічної конструкції турбіни і теплообмінників за умови врахування режимів роботи основного технологічного процесу та енергетичної установки, що реалізується. Отримані результати можуть бути застосовані при розв’язанні задач утилізації ВЕР різних типів (горючих, теплових та надлишкового тиску) у комунальній енергетиці, газотранспортній системі, індивідуальних господарствах та інших сферах економіки держави. Це дозволяє комплексно підходити до розв’язання задачі ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів, що є вельми актуальним на сучасному етапі розвитку України. Для запропонованих рішень виконано техніко-економічне обґрунтування доцільності впровадження енергозберігаючих технологій на базі турбоустановок малої потужності при використанні ВЕР.