Сравнительный анализ каскадных тну замкнутого и открытого типов

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАСКАДНЫХ ТНУ ЗАМКНУТОГО И ОТКРЫТОГО ТИПОВ

И.А. КОНАХИНА

Казанский государственный энергетический университет

Представлены результаты сравнительного анализа каскадных теплонасосных установок (ТНУ) замкнутого и открытого типов с винтовыми и струйными компрессорами. Указаны особенности режимов работы ТНУ, включаемых в комбинированные энерготехнологические системы нефтехимических производств. Отмечается, что показатели эффективности каскадной ТНУ открытого типа с использованием струйных компрессоров по показателям энергетической эффективности проигрывают парокомпрессионным замкнутым ТНУ, однако с учетом источника энергоснабжения итоговая экономия топлива оказывается сравнительно высокой - до 0,002 кгу.т. на каждый кг циркулирующего в нижней ветви хладона.

Особенности конструкций и режимов работы каскадных ТНУ в

утилизационных______системах нефтехимических производств. Режим

теплопотребления на предприятиях нефтехимической отрасли промышленности имеет ряд особенностей, в частности [1, 2]:

1) до 98% потребления теплоты происходит с водяным паром. Потребители на крупных предприятиях, как правило, подключены к общей системе пароснабжения от заводской котельной или ТЭЦ. Давление свежего пара поддерживается на уровне 1,1*9,0 МПа и определяется условиями транспортировки пара к наиболее отдаленным потребителям, а также требованиями отдельных потребителей;

2) для большинства технологических потребителей достаточен уровень давления пара 0,4-*0,8 МПа. Снижение давления до этого уровня обеспечивается дросселированием свежего пара на распределительных станциях или непосредственно перед потребителями, но энергия расширения свежего пара при этом не используется. В результате, значительная доля эксергии потока пара теряется;

3) перегрев пара в процессах теплопередачи не имеет существенной роли, а его использование может вызвать повышение уровня тепловых потерь в теплоиспользующих аппаратах с пролетным паром [1].

В связи с этим предлагается применять ТНУ каскадного типа для отпуска насыщенного водяного пара. Подобные установки получили распространение в системах хладоснабжения и криогенной техники с целью получения низких температур. В литературе [3] встречаются предложения по использованию каскадных ТНУ в комбинации с холодильными установками, с их помощью утилизируется теплота конденсации хладагента нижней ветви каскада, а из конденсатора теплового насоса отпускается теплота на нужды горячего водоснабжения с температурой до ^ = 80 °С.

На рис. 1 представлена каскадная ТНУ замкнутого типа. Теплота ВЭР поступает в испаритель И, за счет чего испаряется хладагент нижней ветви каскада. Пары хладагента сжимаются винтовым компрессором Км1 до давления конденсации, а затем конденсируются в ИКД, отдавая теплоту влажному

© И.А. Конахина

Проблемы энергетики, 2004, № 1-2

водяному пару, а жидкий хладагент дросселируется в Др1, переходя в исходное состояние.

Охлаждаемый поток

Рис. 1. Схема каскадной ТНУ парокомпрессионного типа

И - испаритель; Км1, Км2 - компрессоры нижней и верхней ветви, соответственно;

ИКД - испарительно-конденсаторный аппарат; Др1, Др2 - дроссели нижней и верхней ветви

каскада; КД - конденсатор

Водяной пар из ИКД сжимается винтовым компрессором Км2 до давления конденсации (0,4^0,8 МПа), после чего конденсируется в КД, отдавая теплоту внешним потребителям, и дросселируется в Др2, замыкая цикл верхней ветви каскада.

Данную схему целесообразно применять в утилизационных системах, расположенных в непосредственной близости к потребителям тепловой энергии, так как при этом обеспечивается возможность передачи теплоты в условиях непосредственной конденсации.

В схеме парокомпрессионной ТНУ открытого типа с отпуском насыщенного водяного пара верхняя ветвь каскада разомкнута. Это дает возможность отпускать теплоту потребителям водяного пара без какого-либо промежуточного звена. Состояние парового конденсата, направляемого в ИКД, определяется режимом работы систем сбора конденсата на промышленном предприятии.

Вместо компрессора с электроприводом в схеме ТНУ открытого типа может быть использован струйный компрессор (рис. 2). В этом случае создаются условия для полезного использования энергии расширения свежего пара, поступающего от ТЭЦ. Пароструйные ТНУ позволяют полезно воспринять энергию расширения водяного пара и получить экономию свежего пара за счет инжектирования энергоносителя низкого давления. Они обладают рядом преимуществ, к числу основных относятся: простота конструкции; отсутствие движущихся частей; надежность во время эксплуатации; взрыво- и пожаробезопасность.

Струйный компрессор К потребителям пара

среднего давления

вода

Охлаждаемый поток

Рис. 2. Схема каскадной ТНУ открытого типа со струйным компрессором

Схемы ТНУ открытого типа целесообразно применять в утилизационных системах, расположенных вблизи источников низкопотенциальных ВЭР, что позволит снизить энергозатраты на транспортировку энергоресурсов.

Таким образом, к числу основных задач, которые необходимо рассмотреть при исследовании возможностей построения утилизационных систем на базе каскадных ТНУ в условиях использования низкопотенциальных ВЭР нефтехимических производств, относятся следующие:

1. Исследование энергетической и термодинамической эффективности каскадных ТНУ замкнутого и открытого типов в качестве термотрансформаторов низкопотенциальной теплоты ВЭР нефтехимических производств.

2. Выявление характера зависимостей критериев энергетической и термодинамической эффективности от режимных параметров, и определение совокупности оптимальных сочетаний данных параметров для характерных условий эксплуатации ТНУ: 1) температуры испарения хладагента to = 10*60 °С;

2) температуры конденсации паров хладагента в ИКД ^кд = 90*130 °С;

3) температуры конденсации водяного пара = 150*190 °С.

В парокомпрессионных ТНУ, а также в нижней ветви каскада струйной ТНУ предлагается использовать компрессоры винтового типа. Это дает возможность осуществить процессы сжатия рабочих агентов из области влажного пара и сжатия по правой пограничной кривой [4] с целью снижения затрат энергии на привод теплонасосной установки.

Рабочим агентом нижней ветви каскада является высокотемпературный хладон Ш33а, рабочим агентов верхней ветви - вода (водяной пар).

Исследование режимов со сжатием рабочего агента из области влажного пара (рис.3) позволило сделать предположение о том, что в области определения параметра степени сухости существует некоторое значение, при котором критерий энергетической эффективности цикла нижней ветви ТНУ достигнет максимума. Каждому режиму, определяемому соотношением температур конденсации и испарения рабочих агентов в цикле ТНУ, соответствует свое оптимальное

опт

значение степени сухости пара в начальной точке процесса сжатия - хх а .

Рис. 3. Диаграммы циклов нижней ветви ТНУ a) со сжатием из области влажного пара; б) со сжатием по правой пограничной кривой; в) со сжатием по правой пограничной кривой из области влажного пара при X0; > X0

Определение значения этого параметра представляет собой подзадачу в структуре общей задачи оптимизации режимных параметров ТНУ:

1. Для некоторого начального значения степени сухости пара х0, должна быть определена температура , при которой в процессе сжатия в компрессоре будет достигнуто состояние насыщения (см. рис. 3, в). Она может быть найдена решением системы из двух уравнений с тремя неизвестными аргументами, которая после небольших преобразований приводится к системе с двумя неизвестными.

Исходная система уравнений имеет вид

х0; • 1*0 - *0 /;

*х + ХХ1 (*X - 5X )= *0 +

+Х + х”'("-,Х1+0 + + 1 + +0 + х0, (г0' -;0)]=;"

„км1 П 0;

где индексы «0» и «х» указывают на то, что параметры определяются при температуре испарения *0 и температуре *х , соответственно; П™1" внутренний

индикаторный КПД компрессора Км1.

Для хладона Ш33а зависимости термодинамических параметров от температуры на линии насыщения представляются соотношениями:

»

энтропия жидкости *х = 0,00388 • ¡х + 3,394 ;

"

энтропия пара *х = 4,155 ;

» 2

энтальпия жидкости 1х = 0,00162 • *х +1,1162 • *х + 335,628; энтальпия пара

," = -5,0808 • 10"7*4 +1,423 • 10-4ЬЪХ - 0,01567*2х + 1,2993*х + 537,927. Использование данных соотношений позволяет свести исходную систему

к виду

0,00388 • *х + хх, *(0,761 - 0,00388 • * х )= *0 + х0, •(*" - *0 )- 3,394;

0,00162 • *х +1,1162 • гх + 335

„км1 п0,-

[0+

[-5,0808• 10-7 • *4 +1,423• 10-4 • ^ -0,01567• *2 +1,2993• гх +

+ 537,927]-

х

км1

-1

П01

км1

-1

П0,-

+0 + х0| 0 -; 01

Явное решение этой системы трудоемко. Значительно легче решить эту систему с применением ЭВМ - одним из методов последовательных приближений.

По достижении условия * = ¡х расчет цикла ведется по вышеприведенной методике для случая организации процесса сжатия по правой пограничной кривой с начальной точкой х = 1,0.

1

Поиск оптимального значения выглядит следующим образом:

1. Задается диапазон допустимых значений х. В частности, для рассматриваемой ТНУ было принято 0,8 < х < 1,0, но для каждого режима диапазон допустимых значений уточнялся, поскольку в конце процесса сжатия должно было быть достигнуто состояние насыщения рабочего агента.

Пусть начальная энтальпия влажного пара хладагента - г’о :

*0 = х •

Конечная энтальпия пара в процессе сжатия в компрессоре должна удовлетворять соотношению

гикд

\

-1

„км1

Л у

*0 + *икд ’

где /икд - конечная энтальпия пара, достигаемая в адиабатном процессе сжатия, т.е. при условии ~икд = ~0, которое в развернутом виде представляется как

’ / ” ’ \ ’ \

*0 + х0 ' \*0 — *0 / = *икд + хикд ' \*икд — Янки).

1

Отсюда

хо ' о - * о -+ (* о - *икд -

хикд =---------Х

\*икд - *икд/

~ ’ /. о .» -

*икд = *икд + хикд  \*икд — *икд/

и

В результате преобразования выражения (5) с использованием (6) и (7) получено соотношение для х о:

\*икд *икд/

2. Определяются значения целевой функции (КПЭ или приведенного КПЭ) в крайних точках области определения.

3. Задается промежуточное значение х 0/ (выбор этого значения

осуществляется по-разному, в зависимости от применяемого итерационного

© Проблемы энергетики, 2004, № 1-2

метода), вычисляется соответствующее этому параметру значение целевой функции.

4. Далее методом последовательных приближений отыскивается значение параметра х , при котором достигается максимум целевой функции.

Аналогичным образом определяется оптимальное значение параметра степени сухости и для рабочего агента верхней ветви каскада.

Анализ показателей энергетической эффективности парокомпрессионной ТНУ замкнутого типа в области определения показал, что данные показатели зависят не только от температурных уровней подвода и отвода теплоты (в испарителе и конденсаторе, соответственно), но, поскольку каскадная установка объединяет две замкнутые ветви, связанные между собой общим элементом (испарительно-конденсаторный теплообменник), эти показатели зависят также от промежуточной температуры цикла *икд. Во всем диапазоне допустимых

«-» опт

значений *икд существует оптимальное значение данного параметра *икд‘, при

котором достигается максимум энергетической (или термодинамической) эффективности цикла ТНУ.

Поиск *ипд" представляет собой основную задачу в ходе оптимизации

режимных параметров каскадной ТНУ. Обобщенный алгоритм решения поставленной задачи в виде блок-схемы представлен на рис. 4.

Сначала производится расчет критерия эффективности (КПЭ, приведенного КПЭ) для значений *икд, соответствующих предельным значениям области

определения. Затем осуществляется выбор промежуточного значения *икд по

одному из итерационных методов поиска приближенных решений и процедура повторяется до тех пор, пока в блоке промежуточного хранения, сравнения и отбора режимов не будет определено, что данный параметр соответствует

максимальному значению целевой функции. Этот параметр выводится как *^д'.

Во внутренних процедурах расчета циклов нижней и верхней ветви каскада

ТНУ по приведенному выше алгоритму производится поиск оптимальных

степеней сухости паров рабочих агентов в начальных точках процессов сжатия

„опт. „опт.

хх.а и хв .

Для всех рассмотренных режимов *= 95 °С - температура генерации

пара в ИКД ТНУ. Соответствующая температура конденсации хладона И133а

*опт. = *опт. +д* ,

‘падв ' *-“н ’ У'г

где Ан = 2 * 6 °С.

Исследование эффективности циклов каскадных ТНУ открытого типа. В отличие от замкнутых схем начальное состояние конденсата рабочего агента в открытых установках может не совпадать с состоянием конденсата на выходе от потребителя пара (точки 7 и 8 на рис. 3 соответственно). Однако существует ограничение

Рис. 4. Блок-схема алгоритма решения задачи по поиску оптимальных режимных параметров цикла каскадной ТНУ

* 8 < * 7 < * 7,

»

где *7 - температура конденсата перед дросселем Др2; *7 и *8 - температуры, соответствующие характерным точкам цикла замкнутой ТНУ.

В парокомпрессионных установках открытого типа снижение температуры конденсата приведет к снижению удельного расхода рабочего агента верхней ветви. В результате немного (на 1 * 2 °С, в зависимости от режима) возрастет

опт

оптимальная промежуточная температура *икд'.

В качестве базовой модели в модуле расчета верхней ветви ТНУ на базе струйного компрессора использована методика, разработанная Е.Я. Соколовым и

Н.М. Зингером [5].

Фактически, целью включения струйного компрессора в каскадную ТНУ является увеличение выхода сжатого пара, давление которого должно находиться в заданном диапазоне допустимых значений. При этом принимается, что рабочий пар, подаваемый в компрессор, может находиться в насыщенном или перегретом состоянии, а инжектируемый пар может находиться в состоянии насыщения или в состоянии влажного пара.

Пределы изменения давлений:

• инжектируемого рн = 0,08 * 0,24 МПа;

• рабочего рр = 1,4 * 3,8 МПа;

• сжатого пара рс = 0,45 - 0,6 МПа.

Выбор возможных режимов работы открытой ТНУ осуществлялся исходя из предпосылки, что пар потребляется в качестве греющего теплоносителя, поэтому определяемым критерием модуля является коэффициент инжекции. Данный показатель характеризует общий выход пара в заданных диапазонах давлений свежего и инжектируемого пара.

Расчетный алгоритм содержит следующие основные блоки (рис. 5).

Блок 1. Ввод исходных данных. Задаются основные параметры рабочего и инжектируемого потоков водяного пара:

• давление рабочего пара рр, МПа;

• давление инжектируемого пара рн, МПа;

• давление сжатого пара рс, МПа;

• показатель адиабаты сухого насыщенного рабочего пара кр=ср/сУ;

• показатель адиабаты инжектируемого пара А„;

• газовая постоянная рабочего пара Яр, кДж/(кг-°С);

• газовая постоянная инжектируемого пара Лн, кДж/(кг-°С).

Блок 2. Расчетный блок, в котором определяются следующие основные параметры потоков:

• температура *р,°С; удельный объем Ур, м /кг; энтальпия /р, кДж/кг и энтропия *р, кДж/(кг-°С) рабочего пара;

3

• температура *н,°С; удельный объем Ун, м /кг; энтальпия /н, кДж/кг и энтропия кДж/(кг-°С) инжектируемого пара.

Блок 3. Определяются критические скорости и основные газодинамические характеристики рассматриваемых потоков:

• критические скорости рабочего и инжектируемого потоков Яр*, ан*;

• отношение критических скоростей (коэффициент относительной критической скорости) V© =ан*/ар*;

• относительное давление Прн= рн / рр;

• максимальная приведенная изоэнтропная скорость и приведенная

изоэнтропная скорость X рн рабочего потока в выходном сечении сопла, которые

по условию принимаются неизменными и для входного сечения цилиндрической камеры смешения;

• приведенная массовая скорость q рн рабочего потока в выходном сечении сопла,

которая также принимается неизменной и для входного сечения цилиндрической камеры смешения.

Блок 4. Проверка реализуемости выбранного режима. Работа струйного компрессора невозможна при выполнении условия

qcз ^— qps,

Рс

так как при этом режиме и < (ипр )2 < 0 .

Здесь qcз - приведенная массовая скорость сжатого потока в сечении 3-3; qpS - приведенная массовая скорость в сечении я-я цилиндрической камеры

смешения, которая определяется по значению относительного давления в этом же сечении П ря = Прн  Пн*.

В случае, когда полученное значение qcз попадает в область недопустимых значений, в блоке 5 осуществляется корректировка исходных данных и производится возврат к расчетному блоку 2.

В блоке 6 принимается начальное значение приведенной изоэнтропной скорости сжатого потока в сечении 3-3: X с3 =1.

Значение и лежит в области [1, X с3 1.

I мах ^ '

Условием 0<= X с3 <=1 задается область значений X с3, в которой возможно физическое проведение процесса.

Значение Xс3 зависит от многочисленных факторов, которые заранее учесть невозможно. Поэтому в данном алгоритме для поиска значения и|

используется метод покоординатного спуска. При этом задается шаг kx = 0,05 фиксированных значений параметра X с3 в сторону уменьшения.

Блок 7. Расчетный блок, в котором определяются значения газодинамических функций qcз, Пс3, соответствующие Xс3, и значение коэффициента инжекции (ипр)2 - при втором предельном режиме. Xс3 , qcз, Пс3, (ипр )2 выводятся в файл результатов расчета.

В блоках 8-9 предварительному значению и присваивается значение (ипр )2, счетчику итерационных вычислений п присваивается нулевое значение,

т.е. и = (ипр )2; п = 0.

Блок 10. Блок расчета газодинамических функций qн2 , Пн2, Xн2, Пс2, К1, К2, К3, К4 и действительного значения коэффициента инжекции и (п).

Здесь К1 = 0,834 - коэффициент скорости рабочего потока [5];

К2 = 0,812 - коэффициент скорости инжектируемого потока;

К3, К4 - рассчитываемые коэффициенты.

Приведенная массовая скорость инжектируемого потока во входном сечении цилиндрической камеры смешения определяется по формуле

Действительное значение коэффициента инжекции и(п) определяется по соотношению

значения Xн2 , ?н2, Пн2, Пс2, и(п) выводятся в файл результатов расчета.

В блоке 12 производится сравнение значений и(п) и (ипр )2.

Если выполняется условие и(п) > (ипр )2 , то в блоке 13 ирасч присваивается значение и(п), после чего управление передается блоку 14, и расчет начинается с новым значением X сз =Х сз - АХ сз, возвращаясь к блоку 7.

Если оказывается, что и(п) < (ипр )2, то управление передается блоку 15.

В блоке 15 осуществляется проверка на завершение работы программы. До тех пор, пока значения и(п)> 0, управление передается блоку 16, в котором

определяется расхождение значений предварительно заданного коэффициента инжекции и и действительного коэффициента инжекции и(п) .

Если полученная погрешность е превышает заданную точность расчета ( е доп < 0,001), то в блоке 16 в качестве уточненного и принимается действительное значение и(п) с предыдущей итерации и производится возврат к расчетному блоку 10.

Если сходимость удовлетворительная, в блоке 17 расчетному значению ирасч присваивается значение и, после чего управление передается блоку 14. Затем расчет продолжается с блока 7 с новым значением X сз = X сз - АХ сз.

Если значение и(п) < 0, то программа передает управление блоку 18 вывода

данных и оператору завершения работы основного блока программы.

После завершения работы основной программы осуществляется переход управления к процедуре выбора из ряда строк с результатами расчета ирасч = / (X сз) значений параметров, соответствующих максимальному

Рн • (1 + и-У©) - Рн • 1 рс - ?ез рр - #рн

и(п) =--------------------------------¡=

(К 4-X сз - К 2-X н2 ) V

коэффициенту инжекции Ирасч .

В табл.1 представлены результаты расчета достигаемых коэффициентов инжекции при изменении параметров рабочего и инжектируемого пара в указанных пределах. В табл. 2-3 приведены расчетные показатели каскадной ТНУ открытого типа для соответствующих режимов.

Таблица 1

Коэффициент инжекции пара, достигаемый в струйном компрессоре каскадной ТНУ при рс = 0,45 МПа

ри, МПа Рр, Мпа

1,4 2,5 3,6

0,08 7,35 • 10-8 2,15 • 10-3 0,08

0,16 0,0985 0,464 1,312

0,24 0,321 1,169 3,134

Таблица 2

Результаты расчета верхней ветви каскадной ТНУ открытого типа

Рр / Ри, МПа/МПа 40, кДж/кг 4отп., кДж/кг ^ 4 потр. , кДж/кг Ц

1,4/0,16 220,33 2351,121 2788,3 0,843

1,4/0,24 702,58 2817,004 2788,3 1,010

2,5/0,16 1037,85 3120,382 2801,0 1,114

2,5/0,24 2558,68 4598,32 2801,0 1,642

3,6/0,08 181,40 2319,636 2800,1 0,828

3,6/0,16 2934,56 4881,76 2800,1 1,743

3,6/0,24 6859,66 8702,659 2800,1 3,108

Режимы, соответствующие выделенным ячейкам в табл. 1, исключены из рассмотрения, поскольку коэффициенты инжекции, достигаемые при них, чрезвычайно низки и, фактически, имеют порядок ниже погрешности, допускаемой в инженерных расчетах.

Таблица 3

Сводные показатели эффективности каскадной ТНУ открытого типа со струйным компрессором

Темпера- турный режим „ опт. Лх.а іикд.в , °С Ц і 0 40, кДж/кг 4отп., кДж/кг ЬЭк. • 103, кг/кг

Режим 1: Рр = 1,4 МПа; рс = 0,16 МПа

150/10 0,971 110 0,80 0,84 58,18 1279,13 0,080

150/40 0,986 0,82 0,87 84,52 1279,13 1,401

150/60 1,000 0,82 0,88 98,21 1350,74 1,961

Темпера- турный режим X и о іикд.в , °С й й і 0 40, кДж/кг 4отп., кДж/кг Ьэк. • 103, кг/кг

Режим 2: рр = 1,4 МПа; рс = 0,24 Мпа

150/10 0,971 125 0,84 0,92 35,42 398,61 0,065

150/40 0,985 0,90 1,04 61,74 398,61 1,258

150/60 1,000 0,92 1,09 75,513 429,13 1,643

Режим 3: Рр = 2,5 МПа; рс = 0,16 МПа

150/10 0,971 110 0,90 1,05 58,18 360,40 0,080

150/40 0,986 0,98 1,21 84,52 360,40 1,401

150/60 1,000 1,01 1,27 98,21 380,58 1,961

Режим 4: рр = 2,5 МПа; рс = 0,24 МПа

150/10 0,971 125 0,96 1,15 35,42 178,66 0,065

150/40 0,985 1,15 1,55 61,74 178,66 1,258

150/60 1,000 1,23 1,71 75,513 192,34 1,643

Режим 5: Рр = 3,6 МПа; рс = 0,08 МПа

150/10 0,972 95 0,80 0,84 80,4 1745,55 0,080

150/40 0,993 0,81 0,86 107,98 1745,55 1,401

150/60 1,000 0,82 0,87 120,18 1810,17 1,961

Режим 6: Рр = 3,6 МПа; рс = 0,16 МПа

150/10 0,971 110 1,05 1,36 58,18 199,41 0,065

150/40 0,986 1,63 2,16 84,52 258,98 1,258

150/60 1,000 1,34 1,97 98,21 210,57 1,643

Режим 7: Рр = 3,6 МПа; Рс = 0,24 МПа

150/10 0,971 125 1,07 1,37 35,42 126,13 0,053

150/40 0,985 1,45 2,15 61,74 126,13 1,198

150/60 1,000 1,36 2,43 75,513 95,83 1,663

Следует отметить, что при исследовании режимов, при которых давление инжектируемого пара было ниже 0,1 МПа, область допустимых значений параметра qcз существенно сужалась. В частности, для режима Рр / ри = 1,4 / 0,08 (насыщенный пар) эта область была ограничена условием qc3 < 0,55. С повышением давления ри пара эта граница смещалась в область больших значений, и для режима Рр / ри = 1,4/ 0,24 накладываемое ограничение

имело вид qcз < 0,9 .

Аналогичные тенденции, но с меньшей интенсивностью, прослеживались при повышении рабочего давления пара, когда давление ри оставалось на некотором фиксированном уровне.

Сравнение показателей эффективности ТНУ открытого и замкнутого типов. Исследование энергетической эффективности каскадной ТНУ со струйным

компрессором показало, что в тех случаях, когда степень сухости инжектируемого пара была хи < 1,00, показатели эффективности ТНУ оказывались хуже по сравнению с показателями режимов инжектирования сухого насыщенного пара (т.е. при хи = 1,00).

Обычно эффект экономии энергоресурсов, который достигается за счет организации утилизационной системы на базе ТНУ, приводится к универсальному показателю - экономии условного топлива. Размер этой экономии зависит от типов установок и систем, замещаемых тепловым насосом. ТНУ может, с одной стороны, вытеснять нагрузку холодильных систем, систем оборотного водоснабжения и прочих систем, предназначенных для отвода теплоты от какого-либо объекта, а с другой стороны - замещать часть нагрузки теплогенерирующих систем (ТЭЦ и котельных). При этом ТНУ парокомпрессионного типа потребляет дополнительно некоторое количество электроэнергии, которое может вырабатываться на КЭС, на ТЭЦ, а также на паровых турбинах, входящих в состав утилизационной системы предприятия.

Поскольку в системах электроснабжения РАО «ЕЭС» не имеет значения, от какого именно предприятия в сеть поступила электроэнергия, при расчете экономического эффекта принимают по умолчанию, что вытесняется или, как в случае ТНУ, возрастает электрическая нагрузка КЭС.

Исходя из этого предположения, экономия топлива в утилизационной системе на базе парокомпрессионной ТНУ каскадного типа может быть представлена соотношением

Ьэк = qкд • Ьзам. - э ТНУ - ЬКЭС , кг у.Т./кг,

где Ьзам. - удельный расход топлива на замещаемом источнике теплоты, кг у.т./кВт; ЬкЭС - удельный расход топлива на КЭС, кг у.т./кВт-ч; э тну -удельные затраты электроэнергии на привод ТНУ, кВт-ч/кг хладагента ТНУ.

Если учесть, что нефтехимическое предприятие представляет собой некоторую изолированную систему, то целесообразно предположить, что вырабатываемая на его территории электроэнергия в первую очередь поступит для обеспечения собственных нужд предприятия, а ее излишек может быть отпущен внешнему потребителю. Тем более, что в этом случае резко уменьшаются потери электроэнергии, связанные с ее транспортировкой и распределением. Тогда экономию условного топлива следует рассчитывать по соотношению

Ьэк = qкд • Ьу.с - эу.с • Ьу.с -

где эу.с - доля удельного расхода электроэнергии на привод ТНУ, покрываемая от утилизационной системы, кВт-ч/кг; Ьу!.с - удельный расход в утилизационной

системе на производство электроэнергии, кг у.т./кВт-ч; Ьу.с - удельный расход в

утилизационной системе на производство тепловой энергии, кг у.т./кВт-ч.

При расчете показателя экономии условного топлива, приведенного в табл.

4, было использовано соотношение (14).

Сводные показатели эффективности оптимизированной каскадной ТНУ замкнутого типа

Температурный режим „ опт. / „ опт. Лх.а ' Лв У о в ° ц Ц (0 Чотп., кДж/кг Ьэк. • 103 кг/кг

150/10 0,971/0,9 95 1,642 2,48 156,68 1,277

150/40 0,985/0,93 2,487 4,20 156,68 2,660

150/60 1,00/0,960 2,928 5,09 162,48 3,178

170/10 0,971/0,86 1,550 2,29 168,23 1,111

170/40 0,986/0,91 2,211 3,63 168,23 2,496

170/60 1,00/0,929 2,526 4,27 174,46 3,008

190/10 0,972/0,85 1,468 2,12 181,69 0,921

190/40 0,993/0,85 1,989 3,17 181,69 2,304

190/60 1,00/0,914 2,220 3,64 188,41 2,810

Экономия топлива, которая достигается за счет включения каскадной ТНУ открытого типа со струйным компрессором в рамках комбинированной энерготехнологической системы нефтехимического предприятия, может быть определена из соотношения

Ьэк =

где Чс, Чр - удельное теплосодержание потоков сжатого и рабочего пара,

соответственно, кВт/кг хладагента ТНУ.

При расчете показателя экономии условного топлива, приведенного в табл.

3, было использовано соотношение (15).

В табл. 2-4 были приняты следующие обозначения:

Ч отп

ц = —-----:---основная характеристика энергетической эффективности цикла

Ч потр.

каскадной ТНУ, представляющая собой коэффициент преобразования энергии Чотп +Чо

(КПЭ); цIо = _ '-приведенный КПЭ, учитывающий «полезные эффекты»

Чпотр.

и рассчитанный в условиях, когда теплота ВЭР Чо, подведенная в испаритель, отбирается от внешнего охлаждаемого объекта. При этом ТНУ одновременно является источником теплоты и холода; Чотп. - количество теплоты, отпущенной от ТНУ, кДж/кг хладона Ш33а, циркулирующего в нижней ветви каскада; ^ Чпотр. - тепловой эквивалент количества энергии, затраченной на привод

компрессоров ТНУ, кДж/кг.

Поведение функций, представляющих собой зависимость критериев эффективности ТНУ от температур испарения хладагента и отпускаемой теплоты, а также от степени сухости рабочих агентов в начальных точках процессов сжатия в винтовых компрессорах, представляет интерес с точки зрения

построения эффективного расчетного алгоритма синтезируемой утилизационной системы. Графики

ИгО

5 -

150

^0

а)

170

Ж

1КД>

эс

190

в)

Рис.6. Графики зависимостей приведенного КПЭ от режимных параметров каскадной ТНУ парокомпрессионного типа

а) Цг0 = /(0 ) при *кд = I50 °С ; б) Ц*0 = /(гкд ) при *0 = 40 °С ; в) Ц г 0 = / (х х.а ) при * кд = I50 °С ; * 0 = I0 °С

В целом, сопоставляя результаты, приведенные в табл. 3, с данными табл. 2 и 4, было выявлено, что для всех рассмотренных режимов каскадная ТНУ со струйным компрессором по показателям энергетической и термодинамической эффективности проигрывает ТНУ парокомпрессионного типа, но

результирующая экономия топлива в этом случае оказывается относительно высокой. Это объясняется тем, что ТНУ вытесняет нагрузку не паровой турбины, а котла-утилизатора, и тепловые потери на преобразование энергоносителя отсутствуют.

Summary

The results of the analysis of concatenated Heat Pump both of closed-circuit and of open-circuit types with screw and jet compressors are presented. The specified particularity state of working Heat Pump, that comprised to combined manufacture of technological and power production systems of petrochemical production. It is noted that factors to efficiency cascade Heat Pumps of the open-circuit type, with use jet compressors on the factor of energy efficiency, lose vapour compression Heat Pumps of closed-circuit types. However with provision for the source of the power supply, total economy fuel turns out to be relatively high - before 0,002 kg.u.t. on each kgs circulating in lower branch refrigerant.

Литература

1. Цветков В.В. Организация пароснабжения промышленных предприятий. -М.: Энергия, 1980.

2. Назмеев Ю.Г. Конахина И.А. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности. - М.: Издательство МЭИ, 2001.

3. Везиришвили О.Ш., Хвития М.Т. Каскадная теплонасосная установка для охлаждения и пастеризации молока // Холодильная техника. - 1990. - № 7. -С. 4-6.

4. Холодильные машины. Учебник для втузов по специальности «Холодильные машины и установки» / Н.Н. Кошкин, И.А. Сакун, Е.М. Бамбушек и др. / Под общ. ред. И. А. Сакуна. - Л.: Машиностроение, 1985.

5. Соколов Е. Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

Поступила 05.11.2003