Утилізація низькопотенційного тепла шахтних компресорних установок для вироблення електроенергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Утилізація низькопотенційного тепла шахтних компресорних установок для вироблення електроенергії

У зв'язку з виснаженням запасів органічного палива і триваючим забрудненням навколишнього середовища все більшої актуальності набувають проблеми раціонального витрачання паливно-енергетичних ресурсів та впровадження енергозберігаючих технологій. На гірничих підприємствах повітря ні компресорні станції є одними з найбільш потужних споживачів електроенергії, тому енергетична ефективність цих підприємств багато в чому залежить від ефективного виробництва і витрачання стисненого повітря. Істотним резервом у підвищенні ефективності вироблення стисненого повітря є утилізація тепла, що відводиться при його стисненні.

Відомі технічні рішення по використанню цього тепла для потреб підприємств, зокрема:

* для систем гарячого водопостачання [1,2];

* для нагріву в зимовий час повітря, що надходить в шахту [3];

* для генерації пари холодагента в абсорбційних холодильних машинах.

Недолік цих технічних рішень полягає в тому, що потреба в їх застосуванні носить сезонний характер, або ж обмежується наявністю на шахтах установок кондиціонування повітря з абсорбційними холодильними машинами. Перспективною представляється цілорічна утилізація цього тепла, що складається в перетворенні його в електроенергію в теплосилових установках (ТСУ), що працюють на низькокиплячих робочих тілах (НРТ).

З теорії енергетичних систем відомо, що ефективність парових ТСУ залежить не тільки від початкових і кінцевих параметрів (тиску і температури пари), а також від властивостей робочих тіл і особливостей їх діаграм стану.

Метою цих досліджень є оцінка впливу температурного режиму і властивостей робочих тіл на ефективність ТСУ, що утилізує тепло турбокомпресорної установки.

Дослідження проводилося для умов турбокомпресорів К-250-61, що широко застосовуються на гірничих підприємствах.

Схема турбокомпресорної установки з утилізацією тепла стисненого повітря для вироблення електроенергії, наведена на рис. 1.

утилізація турбокомпресорний паливний установка

Рис. 1 Схема турбокомпресорної установки з утилізацією тепла стисненого повітря для вироблення електроенергії

Повітря, стискається в турбокомпресорі ТК, охолоджується в двох проміжних повітроохолоджувача ПВО1, ПВО2 і кінцевому КВО.

З метою підвищення температурного потенціалу утилізованого тепла ці повітроохолоджувачі, на відміну від типових, передбачається виконати двосекційними. Перша по ходу руху повітря секція включається в систему утилізації тепла, а друга, що служить для остаточного охолодження повітря, включається в існуючу типову систему охолодження. Перетворення тепла в електроенергію здійснюється за допомогою ТСУ, що працює на НРТ. Такі установки отримують в наш час все більш широке поширення при використанні низькопотенційного непридатного тепла і тепла геотермальних джерел [6, 7]. Основними елементами ТСУ є турбіна Т, конденсатор К, насос Н і парогенератор (випарник), роль якого виконують утилізаційні секції повітроохолоджувачів (ВО).

Цикл зміни стану НРТ в установці зображений на рис. 2. Номери характерних точок циклу відповідають номерам точок, показаних на схемі установки (рис. 1).

Рис. 2 Термодинамічний цикл ТСУ

Показана на рис. 2 верхня прикордонна крива має позитивний нахил верхньої прикордонної кривої тобто (dT/ds)_x=1>0. НРТ надходить в теплотилізаційнісекції повітроохолоджувачів в рідкій фазі (точка 4). Тут воно підігрівається до стану кипіння (точка 5), випаровується до стану сухого насиченого пару (точка 6) і може перегріватися. На рис. 2 показаний окремий випадок пароутворення НРТ, коли на виході воно являє собою сухий насичений пар (тому точки 1 і 6 збігаються). У турбіні пар НРТ, розширюючись, виробляє роботу, перетворюється в електричну енергію за допомогою електрогенератора. Кінцевий тиск пари (в точці 2) визначається температурою його конденсації в конденсаторі.

Одним з основних параметрів, що визначають роботу теплоутилізаційних установки, є температура повітря, що виходить з теплоутилізаційних секцій повітроохолоджувачів (проміжна температура охолодженняt_пром), так як від цієї величини залежить кількість утилізованого тепла і ККД циклу ТСУ. Важливими параметрами є також тиск і температура пари НРТ перед турбіною.

Тому для обґрунтованого вибору параметрів ТСУ необхідно дослідити вплив цих факторів на енергетичні показники установки: величину вироблюваної електричної потужності N_эл електричний ККД з_эл і ККД використання тепла, що відводиться від стисненого повітря з_Q. Ці величини розраховувалися за формулами:

Відомо, що всі робочі тіла в залежності від нахилу нижньої прикордонної кривої Т-s діаграми стану діляться на три групи: з позитивним, негативним і близьким до нульового нахилом верхньої прикордонної кривої. Робочі тіла з позитивним нахилом верхньої прикордонної кривої не вимагають перегріву і виключають можливість конденсації парів робочого тіла на виході з турбіни, тому є кращими при виборі холодагента для утилізації низькопотенційного тепла з метою вироблення електроенергії [9]. На підставі вищевикладеного були обрані 8 озонобезпечних робочих тіл з позитивним і близьким до нульового нахилом верхньої прикордонної кривої, що належать до двох основних груп робочих тіл: галогеномістких R142b, R236ea, R245fa і вуглеводнів бутан, пентан, ізобутан, неопентана. Робочі тіла вибиралися таким чином, щоб їх критичні температури були вище максимальної температури розглянутого джерела тепла (стисненого повітря на виході з СНС - 130°С). Досліджувалось також сумішеве робоче тіло бутан-пентан (80о% / 20%). Характерним властивістю сумішевого робочого тіла є його мінлива температура кипіння, що сприяє вирівнюванню температурних профілів середовищ, що нагріваються і нагрівають, і, як наслідок, зменшення втрат працездатності внаслідок незворотності процесів теплообміну.

Таблиця №1Характеристика робочіх тіл

Рис. 3. Залежність вироблюваної електричної потужності від проміжної температури охолодження

Рис. 4. Залежності електричного ККД і коефіцієнта використання тепла стиснутого повітря від проміжної температури охолодження

З рис. 3 видно, що при роботі ТСУ на суміші бутан-пентан виробляється максимальна електрична потужність. Видно також, що залежність N_эл= f (t_пром) має максимум при певній величині t_пром. Відповідно має максимум і коефіцієнт використання тепла, відведеного від стисненого повітря з_Q (див. рис. 4) Наявність b максимуму пояснюється протилежним впливом t_пром на утилізованих теплову потужність і ефективність її перетворення в електроенергію. При збільшенні t_пром утилізовані теплова потужність зменшується, а ефективність перетворення теплоти в електроенергію, що оцінюється ККД з_эл, збільшується (см. рис. 4).

З рис. 3 і 4 також випливає, що показники енергетичної ефективності ТСУ при використанні сумішевого робочого тіла бутан-пентан вище, ніж у випадку кожного чистого компонента окремо і вище, ніж у випадку використання інших розглянутих робочих тіл.

Встановлено, що в умовах роботи турбокомпресора К-250-61 може бути отримано 78 кВт електричної потужності, що складає 5,2% від номінальної електричної потужності, споживаної компресором. Максимальне значення коефіцієнта перетворення утилізованого тепла в електроенергію становить 0,078 при температурі повітря на виході з утилізаційних секцій повітроохолоджувачів 58 - 62°С.

Показники енергетичної ефективності ТСУ при використанні сумішевого робочого тіла бутан-пентан вище, ніж у випадку кожного чистого компонента окремо і вище, ніж у випадку використання інших розглянутих робочих тіл.

Размещено на Allbest.ru