Повышение эффективности утилизации низкопотенциальной энергии теплотехнологических установок

Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения
энергоэффективности и ресурсосбережения путем внедрения рациональной
утилизации низко-потенциальной, «сбросной» теплоты на примере
действующих объектов энергетики и промышленности Красноярского края.
Развитие энергетики России в условиях рыночной экономики
сопровождается ужесточением требований к потерям при производстве и
потреблении энергии, а также вредным выбросам в окружающую среду.
Согласно федеральному закону
«Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от
23.11.2009 № 261-ФЗ (ред. от 03.08.2018) генерирующие предприятия должны
принять меры по эффективному и рациональному использованию
энергетических ресурсов с учетом ресурсных, производственно-
технологических, экологических и социальных условий.
Энергосберегающие технологии производства с утилизацией сбросной
тепловой энергии широко используются в крупных технологических странах:
Китае, США, Японии, Италии, Германии и др. Мировой опыт показывает
рентабельность внедрения утилизации для теплоты уходящих газов от ГТУ,
биогазовой и геотермальной энергетики. В последние годы набирает
популярность использования энергосберегающих технологий на основе
органического цикла Ренкина (ОЦР) в России (строительство станции
компанией «Лукойл» в Перми, станций компанией «Ultralam» в Тверской
обрасти, объекты ПАО «Газпром») с суммарной величиной располагаемой
тепловой мощности более 92 ГВт. Развитие и адаптация энергосберегающих
технологий к Российским реалиям требует научного обеспечения.
Одним из определяющих факторов эффективного внедрения утилизации
на тепло-технологических объектах является нахождение рациональных
конструктивных характеристик и компоновочных решений установок
органического цикла Ренкина, обеспечивающих высокую эффективность,
надежность эксплуатации и полноту утилизации.
Повышение эффективности получения энергии от низко-потенциальных
источников теплоты является актуальной задачей, решение которой позволит
не только выполнить требования федерального закона, а также производить
энергию без первичных энергоресурсов.
Степень разработанности темы. Исследованию повышения
эффективности производства энергии за счет утилизации низко-
потенциальной энергии с использованием органического цикла Ренкина на
тепло-технологических объектах энергетики, тяжелой и легкой
промышленности посвящены работы авторов А.И. Богданова, В.В. Гетмана,
А.В. Разношинской, А.И. Рыбалко, О.А. Колюнова, М.В. Лобана, Ю.А.
Антипова, А.А. Сухих, А.П. Марченко, В.В. Шуховцева, Е.В. Джураева, М.Б.
Сапожникова, Г.В. Кузнецова, Si-Cong Yu., Aneke M.,Bianchi M., Quoilin S.,
Galloni E. И др. Большинство работ посвящено разработке технологии для
утилизации теплоты уходящих газов от технологического источника без учета
влияния типа расширителя, температуры испарения, конфигурации установки,
а также рынка хладагентов в России, влияющего на техническую и
экономическую составляющую проекта. Используется ряд технологических
решений, позволяющих утилизировать низко-потенциальную теплоту (< 350 °С), среди которых выделяется ОЦР. Проведенный анализ выполненных исследований показал их теоретическую недостаточность в вопросах выбора технологической схемы ОЦР, температуры испарения и рабочего тела для внедрения на тепло-технологических объектах. Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ Пр–577 «Энергосберегающие технологии», критические технологии «Системы жизнеобеспечения и защиты человека», «Энергосбережение». Объект исследований – энергетические установки на предприятиях промышленной энергетики. Предмет исследований – характеристики технологии утилизации теплоты на основе ОЦР. Цель работы – повышение энергетической эффективности тепло- технологических установок путем использования (преобразования) низкопотенциальной «сбросной» теплоты за счет совершенствования технологии на основе органического цикла Ренкина. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1. Проведен анализ развития технологий использования низкопотенциальной энергии промышленных и энергетических объектов; 2. Разработана методика оценки энергетической эффективности утилизации с учетом особенностей технологии ОЦР; 3. Произведено моделирование термодинамических процессов утилизации теплоты уходящих газов на тепло-технологических объектах. 4. Экспериментально исследованы термодинамические процессы в опытно-промышленной установке ОЦР на 4 кВт. 5. Разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции установок ОЦР, обеспечивающие надежность и безопасность протекающих термодинамических процессов. Методология и методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на опытно-промышленной установке с применением стандартных сертифицированных средств измерения. Определение термодинамических параметров проводилось с использованием разработанной компьютерной модели термодинамических процессов, построенной на базе лицензионного программного продукта SmoWeb. Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту: 1. Усовершенствована методика определения рабочего тела для технологии ОЦР – предложен критерий, позволяющий определить минимальную температуру насыщения рабочего тела, необходимую для полной утилизации теплоты. 2. Предложена модель термодинамических процессов в установках ОЦР, система уравнений и краевые условия, учитывающие конфигурацию ОЦР, выбор типа утилизации теплоты, влияние температуры испарения и типа расширителя на эффективность и полноту утилизации. Показано, что модель адекватно отражает результаты экспериментальных исследований. 3. Установлены количественные зависимости влияния термодинамических параметров на эффективность работы системы ОЦР с рабочим телом R142b – определены: зависимость эффективности ОЦР от температур: греющей среды, холодного источника, испарения и конденсации и оптимальная температура испарения с учетом полноты утилизации и эффективности ОЦР. Значение для теории. Предложена методика определения энергетических и экономических показателей утилизации теплоты на энергетических и промышленных объектах с учетом найденного критерия, позволяющего определить минимальную температуру насыщения рабочего тела, необходимую для полной утилизации теплоты. Практическая значимость результатов работы заключается в разработке схемы осуществления утилизации (преобразования) низко потенциальной теплоты на тепло-технологических объектах, учитывающие тип утилизации и особенности технологии ОЦР. Для инженерной практики разработана методика оценки технико-экономического эффекта от внедрения установок ОЦР различной конфигурации на предприятиях цветной металлургии и промышленной энергетики. Разработаны режимы работы и рациональная конструкция установки ОЦР, работающей на рабочем теле R142b, позволяющие получить дополнительную энергетическую мощность при утилизации теплоты на тепло-технологических объектах. Использование полученных результатов. Научные и практические результаты работы используются в Сибирском федеральном университете при подготовке студентов по направлениям: Теплоэнергетика и теплотехника и Техносферная безопасность в бакалаврских и магистерских программах «Энергетика теплотехнологии» и «Промышленная теплоэнергетика» в курсах дисциплин «Основы инженерной деятельности (проектная деятельность)», а также в научно-исследовательской деятельности ПИ СФУ. Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета термодинамических параметров в программном продукте SmoWeb с экспериментальными данными в ходе апробации расчётных моделей. Выводы достаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными другими исследователями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний. Личный вклад автора. Автору принадлежат: формализация поставленных задач, обобщение, анализ результатов. Положения, составляющие новизну, научные и практические результаты диссертации разработаны и получены автором лично. Постановка задач и анализ результатов обсуждались совместно с научным руководителем. В совместных публикациях вклад автора составляет от 50 до 75 %. Апробация результатов. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на: Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный» посвященной 70-летию великой победы (Красноярск, 2014–17 гг.); Конкурсе «Лучший проект в сфере энергосбережения, энергоэффективности и возобновляемых источников энергии и биотоплива» в рамках V Международного форума ENES 2016 (Москва, 2016); Региональном туре «GenerationS» (Красноярск, 2016); XI Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2017), IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Красноярск, 2018). Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 научных работ, из них: три статьи в журналах из Перечня ВАК; три статьи в изданиях, входящих в международные базы данных Scopus и Web of Science; одна статья в сборнике научных трудов; пять статей в материалах научных конференций различного уровня. Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 154 страницах основного текста, включающего, 60 рисунков и 12 таблиц. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 132 наименований и приложений. ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ