В статье рассматриваются бестопливные установки для производства электроэнергии, теплоты и холода на базе детандер-генераторных агрегатов, обогрев газа в каких осуществляется за счет низкопотенциальной теплоты при помощи теплонасосных установок.
За последние 15-20 лет в большинстве промышленно продвинутых стран сделаны и внедрены довольно совершенные установки для преобразования энергии органического горючего в электронную энергию и теплоту. Предстоящее увеличение технико-экономических черт таких установок просит поиска новых, необыкновенных способов, применение которых позволило бы значительно повысить технико-экономические характеристики работы энергетического оборудования и слету сделать лучше его экологические характеристики.
Одной из способностей решения этой трудности на промышленных предприятиях, использующих в качестве горючего природный газ, является применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА).
Детандер-генераторный агрегат представляет собой устройство, в каком энергия потока транспортируемого природного газа преобразуется поначалу в механическую энергию в детандере, а позднее в электронную энергию в генераторе. Существует также принципная возможность получения слету с электроэнергией теплоты разных температурных уровней (высокотемпературной для подогрева и низкотемпературной для сотворения холодильных установок и систем кондиционирования), образующейся при работе ДГА. Основными составными частями ДГА являются детандер, электронный генератор, теплообменники обогрева газа, регулирующая и запорная арматура, система КИП и автоматики.
ДГА употребляются в системе газоснабжения на станциях технологического снижении давления газа (газораспределительных станциях - ГРС и газорегуляторных пт &ndash- ГРП). Обычно снижение давления газа на ГРС и ГРП осуществляется за счет дросселирования газового потока.
Анализ работы находящихся в эксплуатации детандер-генераторных агрегатов и технических решений, предложенных для усовершенствования имеющихся установок, показал, что ДГА, хотя и позволяют, используя технологические перепады давления транспортируемого природного газа, получать электроэнергию со существенно более высочайшей термический экономичностью, чем классические паротурбинные и газотурбинные установки, но обеспечение их работы просит сжигания горючего. Это приводит, хотя и к наименьшему, но, все-же, загрязнению окружающего воздушного бассейна. В Одна тысяча девятьсот девяносто девять году был предложен и патентован метод работы детандерной установки, позволяющий обеспечить работу ДГА без сжигания горючего, также устройство для воплощения предложенного метода [1]. Сущность предложенного метода заключена в том, что обогрев газа перед детандером делается при помощи теплонасосной установки (ТНУ), использующей часть энергии, вырабатываемой электрогенератором ДГА, для обеспечения собственной работы. При таком техническом решении для обеспечения обычной работы ДГА употребляется только низкопотенциальная энергия и не требуется сжигания горючего. В качестве источника низкопотенциальной энергии при всем этом могут быть применены вторичные энерго ресурсы и/либо теплота среды.
Также бестопливной является установка, для обогрева газа перед детандером в какой употребляется сочетание воздушного компрессора и воздушной турбины (т.н. воздушный термический насос). На это техническое решение также был получен патент [2].
В обеих установках для обеспечения работы термического насоса и воздушного термического насоса для обеспечения их работы употребляется электроэнергия, выработанная генератором ДГА, что уменьшает полезную электронную мощность установок, т.е. мощность, которая может быть передана потребителю.
Стоит отметить, что устройство детандер-генераторного агрегата и принцип его работы позволяют сделать бестопливную установку за счет выбора соответственного режима работы при обогреве газа только после детандера. Но при всем этом газ на выходе из детандера имел бы неприемлимо низкие по условиям эксплуатации температуры (минус Восемьдесят &ndash- минус 100°-С), что принуждало бы дросселировать газ перед детандером, теряя значительную часть потенциала давления. Потому установки такового типа, вероятнее всего, не отыщут широкого внедрения и в данной статье рассматриваться не будут. В данной статье подвергнутся рассмотрению установки на базе ДГА, в каких обогрев газа делается перед детандером за счет теплоты, имеющей так низкую температуру, что она не может конкретно употребляться для обогрева газа до подходящей по условиям эксплуатации температуры (+ Восемьдесят &ndash- + 100 °-С). Потенциал таковой теплоты должен быть повышен при помощи трансформирующих установок.
На сегодня разработаны два варианта бестопливных установок на базе детандер-генераторных агрегатов. В состав первой входят ДГА и обыденный термический насос (ТН), в каком в качестве рабочего тела употребляются хладагенты (вещества с низкой температурой кипения). Во 2-ой установке применяется т.н. воздушный термический насос (ВТН), в каком в качестве рабочего тела употребляется атмосферный воздух. Хоть какой из вариантов установки имеет как свои плюсы, так и собственный недочеты. Но оба варианта установок являются по собственной сущности бестопливными, т.е. для обеспечения их работы не требуется сжигания горючего.
В этом случае, когда будет рассматриваться установка, в какой рабочим телом термического насоса является хладагент, будет употребляться термин «-тепловой насос»-. Для термического насоса, в каком в качестве рабочего тела употребляется воздух, будет применяться термин «-воздушный термический насос»-.
Механизмы работы обыденного ТН и ВТН схожи. В то же время различия черт используемых в их рабочих тел определяет разные способности и направления их использования.
Принципная схема установки, в какой для обогрева транспортируемого газа перед детандером употребляется термический насос, приведена на рисунке 1. Установка работает последующим образом. Газ высочайшего давления поступает в теплообменник 5, греющей средой в каком является хладагент контура теплонасосной установки. ТНУ увеличивает уровень температуры теплоты, приобретенной от низкопотенциального источника в испарителе 9. Подогретый в теплообменнике 5 газ высочайшего давления подается в детандер 2. После расширения в детандере, газ направляется в трубопровод низкого давления 4, а механическая работа, обретенная в детандере, преобразуется в электронную энергию в электрогенераторе 1. Часть электроэнергии, выработанной генератором, должна быть израсходована на технологический обогрев газа перед детандером средством ТНУ. Оставшаяся электроэнергия может быть полезно применена для отпуска наружному потребителю либо производства дополнительной теплоты при помощи той же теплонасосной установки. Дополнительно выработанная теплота может быть применена для обогрева газа в теплообменнике 5. (Дополнительный обогрев газа перед его внедрением в топках котлов либо печей, как понятно, позволяет понизить расход горючего).
Установка содержит кинематически соединенный с генератором Один детандер 2, присоединенный входным патрубком к трубопроводу Три высочайшего давления, выходным патрубком &ndash- к трубопроводу Четыре низкого давления (детандер подключается параллельно дросселирующему устройству 5 газопровода), теплообменник 6 обогрева газа высочайшего давления, 1-ое теплонасосное устройство (ТНУ-1), в состав которого входят компрессор Семь с электродвигателем 8, регенеративный подогреватель хладагента 9, дроссель 10, испаритель 11, 2-ое теплонасосное устройство (ТНУ-2), в состав которого входят компрессор Двенадцать с электродвигателем 13, регенеративный подогреватель хладагента 14, дроссель 15, испаритель 16, насос Семнадцать для перекачки агента от низкопотенциального источника теплоты (НИТ), электронную связь Восемнадцать электрогенератора Один с наружной электронной сетью с выключателем 19, с электронную связь 20 электрогенератора Один с электродвигателем 8, электронную связь 20 один электрогенератора Один с электродвигателем Тринадцать с выключателем 22, теплообменник 20 три обогрева какой-нибудь воды либо какого-нибудь газа, поступающего в него по трубопроводу 24, соединенный по греющей среде с выходным патрубком компрессора Двенадцать трубопроводом с регулятором 20 5 и задвижкой 26, при всем этом выходной патрубок компрессора Семь ТНУ-1 соединен с теплообменником 6 трубопроводом с задвижкой 20 семь и регулятором 28, а с испарителем Шестнадцать ТНУ-2 &ndash- трубопроводом с задвижкой 29, входной по греющей среде патрубок регенеративного теплообменника Девять ТНУ-1 соединен с выходным по греющей среде патрубком теплообменника 6 трубопроводом с задвижкой 30, а с выходным по греющей среде патрубком испарителя Шестнадцать ТНУ-2 - трубопроводом с задвижкой 31, выходной патрубок компрессора Двенадцать ТНУ-2 соединен с теплообменником 6 трубопроводом с задвижкой 30 два и регулятором 28, входной по греющей среде патрубок регенеративного теплообменника Четырнадцать ТНУ-2 соединен с выходным по греющей среде патрубком теплообменника 6 трубопроводом с задвижкой 33, а с выходным патрубком по греющей среде теплообменника 20 три трубопроводом с задвижкой 34, входной по греющей среде патрубок испарителя Шестнадцать ТНУ-2 соединен с выходным патрубком насоса Семнадцать перекачки агента от низкопотенциального источника теплоты трубопроводом с задвижкой 35, а выходной по греющей среде патрубок испарителя Шестнадцать ТНУ-2 соединен с выходным по греющей среде патрубком испарителя Одиннадцать ТНУ-1 трубопроводом с задвижкой 36.
Установка позволяет не считая электроэнергии получать к тому же теплоту для наружного потребителя и может работать в нескольких режимах
1) В режиме с отпуском очень вероятного количества электроэнергии наружному потребителю.
2) В режиме с отпуском очень вероятного количества теплоты наружному потребителю.
3) В режиме с отпуском электроэнергии и теплоты наружным потребителям.
4) В режиме с очень вероятным обогревом газа.
5) В режиме с обогревом газа и отпуском теплоты наружным потребителям.
Данный режим отличается от режима с очень вероятным обогревом газа тем, что часть хладагента после компрессора Двенадцать ТНУ-2 употребляется и для обогрева потока воды в теплообменнике 23. Регулирование количества теплоты, отбираемой для обогрева воды, делается регулятором 25.
Механизм работы установок для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата, воздушного компрессора и воздушной турбины принципно не отличается от механизма работы установок, обрисованных выше, в каких для обогрева газа в ДГА употребляется обычная теплонасосная установка. Это определяется тем, что используемое в таких установках сочетание воздушного компрессора и воздушной турбины представляет собой воздушный термический насос. В качестве источника низкопотенциальной теплоты в таком устройстве употребляется низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха. Для обеспечения работы таких установок также не требуется сжигание горючего, т.к. обогрев газа в ДГА делается за счет низкопотенциального источника теплоты, в этом случае &ndash- теплоты среды.
Стоит отметить, что установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата, воздушного компрессора и воздушной турбины были разработаны в сотрудничестве с работниками ООО «-Калужский турбинный завод»-.
Принципная схема установки для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и воздушного термического насоса представлена на рисунке 3.
Набросок Три &ndash- Установка для производства электроэнергии на базе детандер-генераторного агрегата и воздушного термического насоса
Установка работает последующим образом. Газ, подаваемый по трубопроводу Один к детандеру 3, подогревается в теплообменнике 2, в каком в качестве греющего теплоносителя употребляется подогретый в итоге сжатия в компрессоре 6 воздух. После детандера газ по трубопроводу 5 поступает в трубопровод низкого давления. Привод воздушного компрессора 6 осуществляется электродвигателем 8. При всем этом степень сжатия воздушного компрессора 6 выбирается таким макаром, чтоб температура воздуха на выходе компрессора была больше требуемой температуры обогрева газа. После теплообменника Два охлажденный воздух по воздухопроводу 10 подается на вход воздушной турбины 7. В турбине воздух расширяется с созданием механической работы, при всем этом воздух охлаждается. После воздушной турбины прохладный воздух по воздуховоду Двенадцать сбрасывается в атмосферу. Воздушный компрессор 6, воздушная турбина Семь и электродвигатель Восемь связаны кинематически. Установленный в полосы воздуховода Двенадцать теплообменник-утилизатор холода Тринадцать соединяется по контуру хладагента Четырнадцать с потребителем холода 15. Одна часть электронной энергии, вырабатываемой электрогенератором 4, связанным кинематически с детандером 3, по электронной связи Шестнадцать направляется в сеть, другая часть этой электроэнергии по электронной связи Семнадцать направляется на электродвигатель 8. Внедрение механической работы воздушной турбины Семь для привода компрессора Семь позволяет понизить мощность, потребляемую электродвигателем 8. Из описания работы установки ясно, что на ней можно получать также и холод.
Выставленные в статье установки не находят пока практического внедрения, т.к. по экономическим показателям проигрывают установкам с обогревом газа высокопотенциальной теплотой, получаемой при сжигании горючего. Но можно представить, что по мере роста цен на энергоэлементы, и сначала &ndash- на газ, экономические характеристики бестопливных установок на базе ДГА и термических насосов позволят организовать их обширное внедрение в индустрии.
Основные Технологические Системы