Способ работы тригенерационной установки
METHOD FOR OPERATION OF TRIGENERATION UNIT

Изобретение относится к промышленной теплоэнергетике и может быть использовано в условиях повышенной интенсивности солнечного излучения для холодоснабжения, кондиционирования, вентиляции и горячего водоснабжения производственных помещений, выработки электроэнергии на собственные нужды предприятия, как следствие снижения энергозависимости предприятия от центральных распределительных электросетей.
Известен способ генерации холода для промышленных предприятий на основе тягодутьевых и компрессорных агрегатов, включающий линию нагрева и испарения хладагента при его прохождении через теплообменник. При этом охлаждаемый воздух поступает в помещения и обеспечивает условия для работы персонала предприятия (Леонов В.П., Воронов В.А., Апсит К.А., Ципун А.В. Цикл Ренкина с низкопотенциальным источником теплоты. Инженерный журнал: наука и инновации, 2015, вып. 2. URL: http://engjournal.ru/catalog/pmce/mdpr/1368.html). Недостаток способа - повышенное электропотребление приводов вентиляторов и компрессоров, что значительно снижает эффективность установки, реализующей данный способ.
Известен способ выработки электроэнергии для промышленных предприятий в установке, включающей энергетический парогенератор, теплоносителем в котором может быть низкокипящая жидкость. Пары жидкости подаются в турбоэлектрогенератор, где жидкость конденсируется и возвращается в тепловую схему (патент РФ №2310765, F02C 6/02, F02C 3/34, опубл. в Б.И. №32 от 20.11.2007 г.). Недостатком способа является низкая надежность парогенератора и повышенные затраты на проведение капитальных ремонтов.
Известен способ утилизации теплоты дымовых газов на основе органического цикл Ренкина прямого нагрева (патент РФ №2502880), содержащий модуль органической турбины, которая работает на перегретом паре испаренной текучей среды. Изобретение отличается высокой степенью экологической безопасности. Недостаток - обязательное использование органического топлива в парогенераторе, что снижает экономическую эффективность всей установки в целом.
Известен способ использования солнечного излучения для нагрева низкокипящего теплоносителя параболическими зеркалами (Fernandez-Garcia A., Zarza Е., Valenzuela L., Perez М. Parabolic-trough solar collectors and their applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. Vol. 14, pp. 1695-1721). Авторы отмечают возможность применения способа для электрогенерации на промышленном предприятии, с энергетическиим оборудованием в органическом цикле Ренкина установленной мощностью органической турбины 1 МВт. Недостаток способа - когенерация, без возможности применения отдельных систем холодоснабжения и горячего водоснабжения, что снижет суммарный термический КПД энергокомплекса.
Известен способ комбинированной выработки электроэнергии, теплоты и холода в тригенерационном цикле работы гибридной тепловой электростанции для промышленных предприятий, включающем солнечные коллекторы, ветро- и микрогазотурбинную установки, абсорбционную холодильную машину или тепловой насос (патент РФ №2583210, H02S 10/00, F24J 2/42, опубл. в Б.И. №13 от 10.05.2016 г.). Преимуществом такого комбинирования, безусловно, является снижение затрат на выработку электроэнергии и холода, ресурсосбережение органического топлива. Недостаток способа - повышенное энергопотребление из внешней электросети, тем самым снижается КПД всей гибридной тепловой электростанции.
Наиболее близким аналогом предлагаемому является способ комбинированной выработки электроэнергии, теплоты и холода в тригенерационном цикле работы гибридной тепловой электростанции для промышленных предприятий, содержащий турбодетандер, конденсатор, испаритель и солнечный коллектор. Способ реализуется путем нагрева низкокипящего теплоносителя за счет высокой интенсивности солнечного излучения в солнечном коллекторе, направления пара низкокипящего теплоносителя в турбодетандер и преобразования потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения вала турбодетандера и в электрическую энергию в присоединенном муфтой к валу электрогенераторе (авторское свидетельство SU №1128066, F24J 3/00, F28D 15/00, опубл. в Б.И. №45 07.12.1984 г.)
Техническая задача изобретения - снижение потребления электроэнергии из внешней электросети, повышение эффективности энерготехнологического комплекса за счет использования дополнительных систем регенерации теплоты.
Для решения поставленной задачи при осуществлении способа работы тригенерационной установки путем нагрева низкокипящего теплоносителя за счет высокой интенсивности солнечного излучения в установленных по периметру производственного помещения трубных панелях, подъема и сбора в установленный на верхней отметке помещения барабан влажного пара низкокипящего теплоносителя, отделения сепарирующими устройствами в барабане капель жидкости и получения насыщенного пара низкокипящего теплоносителя, направления насыщенного пара в турбодетандер, преобразования потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения вала турбодетандера и в электрическую энергию в присоединенном муфтой к валу электрогенераторе, конденсации после турбодетандера пара низкокипящего теплоносителя в конденсаторе, получения направляемого в производственное помещение охлажденного воздуха за счет испарения паров хладагента в испарителе системы холодоснабжения, нагрева воды электронагревателем за счет генерации электроэнергии турбодетандером, согласно изобретению, вал турбодетандера соединен с валом компрессора системы холодоснабжения помещения через соединен с валом компрессора системы холодоснабжения помещения через муфту; при работе в дневное время избыток генерируемой электроэнергии направляется на собственные нужды производственного помещения, при работе в переходный период дня при снижении интенсивности солнечного излучения в работу частично включаются электроприводы вспомогательного компрессора и насоса рециркуляции низкокипящего теплоносителя, при работе в ночное время в условиях низкой интенсивности солнечного излучения электроприводы вспомогательного компрессора и насоса рециркуляции низкокипящего теплоносителя выводят на номинальный режим; кроме того во всех режимах работы энергокомплекса охлаждение электрогенератора турбодетандера осуществляют низкокипящим теплоносителем, что позволяет использовать дополнительную теплоту на нагрев воды в производственном помещении.
Изобретение поясняется схемой энергокомплекса, реализующего заявленный способ тригенерации, представленной на фиг. 1, и общим видом вертикального солнечного коллектора, являющегося неотъемлемой частью изобретения, представленном на фиг. 2.
Согласно фиг. 1 низкокипящий теплоноситель циркулирует в панельной системе трубок 1, работающей по принципу вертикального солнечного коллектора. Панели трубной системы 1 устанавливаются вдоль вертикальных стен производственного помещения. В дневное время теплоноситель поднимается вверх за счет разности плотностей из-за возникающих сил естественной конвекции путем нагрева тепловым солнечным излучением, а именно:
2
где g - гравитационное ускорение, (м/с);
0
3
ρ - плотность низкокипящего теплоносителя в жидком состоянии, (кг/м);
3
ρ - плотность низкокипящего теплоносителя в парообразном состоянии, (кг/м);
Н - высота трубных панелей, (м);
2
ν - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя в жидком состоянии, (м/с).
В барабане 2, установленном на крыше здания, происходит отделение капель низкокипящего теплоносителя от пара в сепараторе 3. Образуется сухой насыщенный пар 4, который подается в турбодетандер 5. Вал 6 турбодетандера 5 соединен с валом 7 электрогенератора 8 через муфту 9. Электрогенератор вырабатывает электроэнергию (отвод электроэнергии показан условно пунктирной линией 10) на собственные нужды предприятия, в том числе на электропривод 11 вспомогательного компрессора 12. Основной компрессор 13 присоединен к валу 14 через муфту 15 с валом 6 турбодетандера 5 и, соответственно с валом 7 электрогенератора. Таким образом, для основного компрессора 13 приводом является турбодетандер 5, а вспомогательный компрессор 12 приводится в действие электроприводом И, причем компрессоры могут работать как одновременно параллельно друг другу, так и отдельно, так как приводная мощность у них одинаковая. Горячее водоснабжение (система горячего водоснабжения показана условной линией 16) осуществляется путем включения в работу электронагревателя 17, расположенного в резервуаре 18 горячей воды, циркулирующей в системе горячего водоснабжения 16 за счет работающего насоса 19 в дневное время от линии 10, в переходный период частично от линии 10, частично от внешней электрической сети 20, и в ночное время только от внешней электрической сети 20. Дополнительная линия 21 горячего водоснабжения включается в работу только в ночное время путем открытия клапана 22 и необходима для перегрева насыщенного пара низкокипящего теплоносителя в ночное время в теплообменнике 23. После турбодетандера 5 пар конденсируется в конденсаторе 24 за счет нагрева холодной воды 25, нагнетаемой насосом 26. Регулирование температуры горячей воды осуществляется клапаном 27. Охлажденный низкокипящий теплоноситель возвращается вновь в цикл по трубопроводу 28 в виде конденсата. Повышение давления конденсата происходит в насосе рециркуляции низкокипящего теплоносителя 29 (далее насос 29), а регулирование давления конденсата осуществляется электроприводом 30 насоса 29 путем изменения частоты вращения рабочих лопастей, а также количественно путем изменения степени открытия клапана 31. В дневное время и переходный период насос 29 работает частично за счет линии 10 и частично от внешней электросети 20, в ночное время только от внешней электросети 20. Схема промышленного кондиционирования состоит из двух контуров: контура охлаждаемого воздуха 32 и контура нагреваемого хладагента 33. Атмосферный воздух 34 нагнетается вентилятором 35 с электроприводом 36 и подается в испаритель-теплообменник 37 (далее испаритель 37). Испаритель 37 состоит из трубок 38, в которых нагревается хладагент. Повышение давление хладагента происходит в компрессорах 12 и 13. Причем в дневное время работает основной компрессор 13, в переходный период дня работают оба компрессора 12 и 13 параллельно, а в ночное время работает вспомогательный компрессор 12. После компрессора сжатый пар хладагента направляется через редукционный конденсатор 39, который представляет собой теплообменник-регенератор хладагентов внешнего контура по выработке электроэнергии (органический цикл Ренкина) и внутреннего контура холодоснабжения помещения. После конденсатора давление хладагента уменьшается в редукционном клапане 40 и хладагент в жидком состоянии направляется в испаритель 37. Взаимодействие двух контуров возможно только при условии, что давление и температура хладагента во внутреннем контуре холодоснабжения выше, чем во внешнем контуре по выработке электроэнергии. Практические диапазоны работы энергокомплекса следующие: давление после компрессоров 12 и 13 во внутреннем контуре холодоснабжения не менее 1,6 МПа, температура в этой же точке цикла не менее 40°С (параметры приведены для хладагента R134a). При отклонении этих параметров в большую сторону на 10-15% становится невозможной работа конденсатора 40, а при отклонении этих параметров в меньшую сторону на те же 10-15% резко скачкообразно снижается низкокипящим теплоносителем, что позволяет использовать дополнительную теплоту на нагрев воды в производственном помещении.
Для решения поставленной задачи рассматриваются два варианта работы установи!: в дневное и ночное время. В дневное время при высокой интенсивности солнечного излучения низкокипящий теплоноситель, согласно законам теплообмена, при свободной конвекции нагревается и при использовании вертикальных труб поднимается вверх за счет разности плотностей жидкости и пара. Вертикальные трубы выполняются с плавниками и собираются в панели, фиг. 2. Форма проходного сечения и его размер зависят от типа хладагента и его массового расхода, интенсивности солнечного излучения в районе применения энергокомплекса. Высота труб зависит от конструктивного исполнения панельной системы трубок 1. В идеальном случае в горизонтальной плоскости панели устанавливаются вертикально по периметру производственного помещения, а высота панелей совпадает с высотой помещения. В нижних и верхних точках панелей установлены сборные коллекторы жидкости и насыщенного влажного пара соответственно (на фиг. 2 показан нижний сборный коллектор 41, группа регулирующих клапанов 42 и сами вертикальные солнечные коллекторы 43, верхний сборный коллектор не показан). Из верхних сборных коллекторов насыщенный влажный пар поднимается по перепускным трубам (на фиг. 2 не показаны) в барабан 2, установленный на верхней отметке помещения. Барабан 2 оснащен сепаратором 3 жалюзийного типа, в котором происходит отделение влаги от пара. Избыток влаги возвращается в нижние сборные коллекторы по отдельной вертикальной трубе 44 (вертикальная труба 44 изолирована от солнечного излучения).
Кроме вышеуказанных физических зависимостей, следует учесть свободную конвекцию при наличии достаточных ветровых усилий и разности температур, то есть необходимо учесть среднюю теплоотдачу со стороны вертикальной стенки:
где Ra - безразмерный критерий Рэлея, Ra=GrPr, то есть зависимость определяется физическими свойствами воздуха и высотой вертикальной стенки;
Рг - безразмерный критерий Прандтля (теплофизическая величина, выбирается по справочникам);
Gr - безразмерный критерий Грасгофа, который определяется:
2
где g - ускорение свободного падения, 9,81 (м/с);
1
Р - коэффициент объемного расширения, (К'), выбирается по справочнику;
At - разность температур стенки трубы и хладагента, (°С), (К);
Н - высота вертикальной трубы, (м);
2
v - коэффициент кинематической вязкости, (м/с), выбирается по справочнику.
Н - высота вертикальной трубы, (м);
2
ν - коэффициент кинематической вязкости, (м/с), выбирается по справочнику.
В климатических условиях с среднегодовыми температурами окружающего воздуха выше нуля на предприятиях, например, строительной, металлургической, нефтегазовой промышленности и агроиндустрии, энергетические системы обеспечения жизнедеятельности человека в среде с экстремально высокими теплотехническими и низкими влажностными параметрами должны отличаться надежностью в эксплуатации. Предлагаемый способ может быть реализован в южных регионах России, а также в странах Центральной и Юго-Восточной Азии, Африки.