Бінарна електрогенеруюча установка для утилізації теплоти димових газів котлів
Вантажиться...
Дата
2022
DOI
doi.org/10.20998/2411-3441.2022.1.03
Науковий ступінь
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
Рада захисту
Установа захисту
Науковий керівник
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Робота присвячена розробці сучасних теплових схем для виробництва електричної енергії при утилізації теплоти димових газів котлів енерговузлів. На прикладі типової районної котельні досліджено параметри та потенціал теплоти, яка скидається до атмосфери з димовимигазами котлів, та визначено, що їх достатньо для генерації електричної енергії шляхом реалізації так званих органічних циклів Ренкіна. Для утилізації теплоти вихідних газів з температурою 280 °С при їх витраті 10 кг/с було досліджено триконтурну електрогенеруючу установку, яка подібна тим, що використовуються у геотермальній енергетиці. Проаналізовано ряд турбінних робочих тіл, що відповідають необхідним вимогам, та рекомендовано найбільш підходящі. Беручи до уваги характеристики джерела теплоти, з метою визначення раціональної конфігурації схеми виконано 50 розрахунків багатоконтурних теплових схем енергоустановок, що працюють на різних робочих тілах. Результати досліджень показали, що ефективність (електричний ККД) та потужність турбінного циклу визначається потенціалом скидної теплоти, термодинамічними властивостями робочого тіла, структурними та параметричними характеристиками схеми. Серед досліджених найкращі показники: електричний ККД 20,6 %, «корисну» електричну потужність 357 кВт при температурі вихідних газів 131 °С мала триконтурна утилізаційна установка з робочими тілами Вода / R-245fa / R-245fa. Варіант схеми з робочими тілами Вода / R-600a / R-600a програвав кращому варіанту ~ 8 кВт електричної потужності, але був визнаним більш перспективним, оскільки фреон R-600a (ізопропан) має споживчі переваги над R-245fa. Були також проведені розрахункові дослідження бінарної теплової схеми енергоустановки, які показали, що раціональним є використання для 1-го контуру Води, для 2-го – R-600a. Таке рішення дозволило отримати розрахункову «корисну» електричну потужність енергокомплексу ~ 290,8 кВт (1-й контур ~ 129 кВт, 2-й ~ 161,8 кВт). Програш бінарної схеми по «корисній» електричній потужності перспективному варіанту триконтурної схеми компенсується суттєвим спрощенням теплової схеми і, як наслідок, значно меншими капітальними витратами. Питома маса запропонованого теплообмінного обладнання установки з бінарною тепловою схемою становить ~ 150 кг/кВт. Враховуючи властивості робочого тіла, здійснено попередню проробку конструкцій турбін 1-го (Вода) та 2-го (R-600a) контурів. Для 1-го контуру запропоновано використовувати 6-ти ступінчату осьову турбіну, для 2-го – одноступінчату радіальну. Розрахунковим шляхом визначені геометричні характеристики проточних частин турбін. Попередня спрощена оцінка простого терміну окупності свідчить о непоганих перспективах впровадження запропонованої енергозберігаючої установки.
The work is devoted to the development of modern thermal schemes for the production of electrical energy while utilizing the heat of flue gases from boilers of power units. On the example of a typical district boiler house, the parameters and potential of heat discharged into the atmosphere with the flue gases of boilers are investigated, and it is determined that they are sufficient to generate electrical energy by implementing the so-called organic Rankine cycles. To utilize the heat of exhaust gases with a temperature of 280 °С at a flow rate of 10 kg/s, a three-loop power generating plant similar to those used in geothermal energy was studied. In the process of conducting research related to solving the problem, the thermal scheme was improved. A number of turbine working bodies that meet the necessary requirements are analyzed and the most suitable ones are recommended. Taking into account the characteristics of the heat source, in order to determine the rational configuration of the circuit, 50 calculations of thermal circuits of power plants on different working fluids were performed. The research results showed that the efficiency (electrical efficiency) and power of the turbine cycle are determined by the waste heat potential, the thermodynamic properties of the working fluid, the structural and parametric characteristics of the circuit. Among the studied indicators, the best indicators are: electrical efficiency of 20,6 %, a "useful" electrical power of 357 kW at a flue gas temperature of 131 °C was a three-circuit utilization plant with working bodies Water / R-245fa / R-245fa. The variant of the circuit with working fluids Water / R-600a / R-600a lost ~ 8 kW of electric power to the best variant, but was recognized as more promising, since R-600a (isopropane) Freon has consumer advantages over R-245fa. Computational studies of the binary thermal scheme of the power plant were also carried out, which showed that it is rational to use Water for the 1st circuit, R-600a for the 2nd circuit. This solution made it possible to obtain the calculated "useful" electric power of the energy complex ~ 290,8 kW (1st circuit ~ 129 kW, 2nd circuit ~ 161,8 kW). The loss of the binary scheme in terms of "useful" electric power to the promising version of the three-loop scheme is compensated by a significant simplification of the thermal scheme and, as a result, significantly lower capital costs. The specific mass of the proposed heat exchange equipment of the installation with a binary thermal scheme is ~ 150 kg/kW. Taking into account the properties of the working fluids, a preliminary study of the structures of the turbines of the 1st (Water) and 2nd (R-600a) circuits was carried out. For the 1st circuit, it is proposed to use a 6-stage axial turbine, for the 2nd – a single-stage radial. The geometric characteristics of the flow parts of turbines are determined by calculation. A preliminary simplified assessment of a simple payback period indicates good prospects for the implementation of the proposed energy-saving installation.
The work is devoted to the development of modern thermal schemes for the production of electrical energy while utilizing the heat of flue gases from boilers of power units. On the example of a typical district boiler house, the parameters and potential of heat discharged into the atmosphere with the flue gases of boilers are investigated, and it is determined that they are sufficient to generate electrical energy by implementing the so-called organic Rankine cycles. To utilize the heat of exhaust gases with a temperature of 280 °С at a flow rate of 10 kg/s, a three-loop power generating plant similar to those used in geothermal energy was studied. In the process of conducting research related to solving the problem, the thermal scheme was improved. A number of turbine working bodies that meet the necessary requirements are analyzed and the most suitable ones are recommended. Taking into account the characteristics of the heat source, in order to determine the rational configuration of the circuit, 50 calculations of thermal circuits of power plants on different working fluids were performed. The research results showed that the efficiency (electrical efficiency) and power of the turbine cycle are determined by the waste heat potential, the thermodynamic properties of the working fluid, the structural and parametric characteristics of the circuit. Among the studied indicators, the best indicators are: electrical efficiency of 20,6 %, a "useful" electrical power of 357 kW at a flue gas temperature of 131 °C was a three-circuit utilization plant with working bodies Water / R-245fa / R-245fa. The variant of the circuit with working fluids Water / R-600a / R-600a lost ~ 8 kW of electric power to the best variant, but was recognized as more promising, since R-600a (isopropane) Freon has consumer advantages over R-245fa. Computational studies of the binary thermal scheme of the power plant were also carried out, which showed that it is rational to use Water for the 1st circuit, R-600a for the 2nd circuit. This solution made it possible to obtain the calculated "useful" electric power of the energy complex ~ 290,8 kW (1st circuit ~ 129 kW, 2nd circuit ~ 161,8 kW). The loss of the binary scheme in terms of "useful" electric power to the promising version of the three-loop scheme is compensated by a significant simplification of the thermal scheme and, as a result, significantly lower capital costs. The specific mass of the proposed heat exchange equipment of the installation with a binary thermal scheme is ~ 150 kg/kW. Taking into account the properties of the working fluids, a preliminary study of the structures of the turbines of the 1st (Water) and 2nd (R-600a) circuits was carried out. For the 1st circuit, it is proposed to use a 6-stage axial turbine, for the 2nd – a single-stage radial. The geometric characteristics of the flow parts of turbines are determined by calculation. A preliminary simplified assessment of a simple payback period indicates good prospects for the implementation of the proposed energy-saving installation.
Опис
Ключові слова
відхідні гази котла, теплова схема, робоче тіло, термодинамічний цикл, органічний цикл Ренкіна, моделювання, електрична потужність, осьова та радіальна турбіна, теплообмінник, boiler exhaust gases, heat scheme, working body, thermodynamic cycle, organic Rankine cycle, modeling, electric power, axial and radial turbine, heat exchanger
Бібліографічний опис
Шубенко О. Л. Бінарна електрогенеруюча установка для утилізації теплоти димових газів котлів / О. Л. Шубенко, О. В. Сенецький, М. Ю. Бабак // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Сер. : Гідравлічні машини та гідроагрегати : зб. наук. пр. = Bulletin of the National Technical University "KhPI". Ser. : Hydraulic machines and hydraulic units : coll. of sci. papers / Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т" ; гол. ред. М. В. Черкашенко. – Харків : НТУ "ХПІ", 2022. – № 1. – С. 15-24.