Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Промышленная теплоэнергетика

Диссертационная работа:

Козляков Вячеслав Васильевич. Системный анализ когенераторных энергетических систем на основе применения газотурбинных технологий и использования энергоаккумулирующих веществ : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.14.04 : Москва, 2003 268 c. РГБ ОД, 71:04-5/407

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ГАЗОТУРБИН
НЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ

  1. Требования к энергетике в условиях устойчивого развития 14

  2. Когенерация и ее роль в решении проблем промышленной энергетики 18

  3. Энергосберегающие технологии на основе применения газовых турбин 24

  4. Анализ состояния промышленности по производству теплоэнергетических установок газотурбинного типа 41

  5. Экологические проблемы вредного воздействия теплоэнергетики на окружающую среду 61

  6. Постановка задачи исследования 72

2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ КОГЕНАТОРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ И НОВОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ НА СПОСОБ И
УСТРОЙСТВО ПАРОГАЗОВОЙ ГТУ

  1. Необходимость прогнозных технологических исследований в энергетике 75

  2. Классификация когенераторных энергетических систем и их сравнительный анализ 83

  3. Метод системного анализа когенераторных энергетических систем 94

2.4. Новое техническое решение на способ получения пиковой
мощности на парогазовой установке и парогазовая установка
для осуществления способа 116

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ГАЗОТУРБИННОГО ТИ
ПА

  1. Применение математических моделей при проектировании тепловых схем теплоэнергетических установок 124

  2. Математическая модель теплоэнергетического устройства газотурбинного типа 130

  3. Тепловой расчет и термодинамической анализ теплоэнергетической установки газотурбинного типа с промохлаждением и регенерацией тепла 138

4. ЭНЕРГОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА И ИХ ИСПОЛЬЗОВА
НИЕ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ

  1. Использование энергоаккумулирующих веществ в теплоэнергетических установках 147

  2. Производство ЭАВ и токсилогическая оценка при его производстве 152

  3. Методика определения выхода пароводорода из реактора.. 156

5. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ВОДОРОДА К УГЛЕВОДОРОДНОМУ ТОП
ЛИВУ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИ
СТИКИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

  1. Перспективы внедрения водородной энергетики 165

  2. Методика учета добавок водорода на состав и энергетические характеристики углеводородного топлива 173

  3. Влияние добавок водорода на экономические и экологические характеристики ТЭУ газотурбинного типа 177

6. ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНОГО ПОДВОДА ТЕПЛА И ВПРЫСКА ВОДЯ
НОГО ПАРА НА ВЫРАБОТКУ ЭНЕРГИИ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

  1. Использование водяного пара для повышения эффективности выработки энергии ТЭУ газотурбинного типа 184

  2. Приближенный учет влияния впрыскивания водяного пара при вторичном подводе теплоты на характеристики ТЭУ 194

  3. Влияние впрыскивания водяного пара при вторичном подводе теплоты на энергетические и экономические характеристики ТЭУ газотурбинного типа 196

7. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕР
ГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАМЕННОГО УГЛЯ

  1. Применение газификации угля в теплоэнергетических установках газотурбинного типа 205

  2. Концепция водородной энергетики на основе применения газовых турбин и использования энергоаккумулирующих веществ 211

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 220

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 222

ПРИЛОЖЕНИЕ 237

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

а —скорость звука, м/с;

В — атмосферное давление, *мм рт.ст;

ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг-К);

cv — удельная теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кг-К);

цс — молярная теплоемкость, кДж/(кмоль-К);

Е — кинетическая и потенциальная энергия, кДж; эксергия, кДж;

е — удельная эксергия, кДж/кг;

F — сила, Н;

/— площадь, м2;

g— ускорение свободного падения, м /с; удельная энергия Гиббса;

ge - удельный расход топлива, кт/(кВт-ч);

I — энтальпия, кДж;

/ — удельная энтальпия, кДж/кг; постоянная Планка;

к — показатель адиабаты;

L — работа, кДж;

/ — удельная работа, кДж/кг;

U теоретическое необходимое относительное количество воздуха;

М— молярная масса (масса одного моля);

т — масса, кг;

N—мощность, кВт;

п — количество вещества (число молей), показатель политропы;

Р — сила, Н;

р — давление, Па;

Q — теплота, кДж;

q — удельная теплота, кДж/кг;

QPH — низшая удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг;

Яг — удельная газовая постоянная, кДж/(кг-К);

R/л — универсальная (молярная) газовая постоянная кДж/(кмоль-К);

г — удельная теплота испарения (теплота парообразования), кДж/кг;

S — энтропия, кДж;

s — удельная энтропия, кДж/кг;

Т—термодинамическая температура (абсолютная температура), К;

/ — температура по шкале Цельсия, С;

U— внутренняя энергия, кДж;

и — удельная внутренняя энергия, кДж/кг;

V—объем, м3;

v — удельный объем, м3/кг;

х —степень сухости влажного пара;

у— степень влажности влажного пара;

а—коэффициент избытка воздуха;

у— удельная масса;

с— холодильный коэффициент;

7]—коэффициент полезного действия (КПД);

п— степень повышения давления;

в- степень повышения температуры;

р—плотность;

а— коэффициент потерь давления; степень регенерации;

т — приведенная температура;

Ф — коэффициент скорости; относительная влажность;

ГТД - газотурбинный двигатель; ГТУ - газотурбинная установка; ПТУ - паротурбинная установка; ПГУ - парогазовая установка; ТЭС - тепловая электростанция;

Введение к работе:

Наступает переходный период от нефти как главного, наиболее удобного и хорошо освоенного источника энергии к другим, технологически более сложным и более опасным источникам энергии и, прежде всего, к ядерной энергии и каменному углю.

Академик В.И. Субботин

Актуальность. В настоящее время топливно-энергетическая и экологическая проблемы приобретают все большую актуальность и масштабность. Это связано с ограничением запасов органических топлив таких, как природный газ и увеличением их стоимости. Ростом потребления их в других отраслях промышленности. Воздействием процессов сжигания на окружающую среду. Глобальные проблемы энергетики все больше принимают экологическую направленность. Это связано с проблемами ограничения выбросов диоксида углерода, метана и других газов в связи с угрозой повышения температуры атмосферы, защите от радиации, кислотных дождей и выбросов токсичных и канцерогенных веществ. Определены квоты на выбросы С02 отдельными странами. В России обязательным документом, регламентирующим действия для всех газо-потребляющих агрегатов, включая промышленные и отопительные установки, является ГОСТ Р 50591-93 «Горелки газовые промышленные. Предельные нормы концентраций NOx в продуктах сгорания». ГОСТ конкретизирует статью 32 п. 1 Закона РФ «Об охране окружающей среды». Предельно допустимые концентрации NOx пересчитаны на принятый коэффициент избытка воздуха а = 1.4 (02=6%). Например, для паровых котлов мощностью от 3 до 19 МВт предельные концентрации СОг и NOx составляют для вновь разрабатываемых (с 01.01.97): С02 - 150 мг/м3 и NOx - 0.055 г/МДж. Для котлов большей мощности необходимо внедрение одного или нескольких методов по-

давления оксидов азота. К этим методам относятся: упрощенная схема рециркуляции газов и схема двухступенчатого сжигания.

В тепловой электроэнергетике в ближайшие 30 лет должна произойти структурно-топливная перестройка: постепенный отказ от сжигания мазута и газа и повсеместный переход к углю, запасы которого в мире при современном уровне добычи оцениваются в 300-400 лет. В этой связи в оборот введен даже такой термин, как "новая угольная волна". Переход к углю в технологическом, экологическом и экономическом плане вызывает огромные проблемы. Перспективными являются два способа использования угля на ТЭС: прямое сжигание угля в кипящем слое под давлением и газификация угля с последующей его глубокой очисткой для производства искусственного газа.

Появление нетрадиционных энергоисточников невозможно без применения вторичных энергоносителей, так как они не могут непосредственно быть использованы вместо нефтяных топлив. В качестве универсальных энергоносителей рассматриваются синтетические топлива и водород. Синтетические топлива получаются из углей и сланцев. Пониженное содержание полициклических ароматических углеводородов может привести не только к снижению энергетических характеристик, но и к увеличению дымности, токсичности и канцерогенной активности продуктов сгорания. Выходом из решения топливно-экологических проблем энергетики является применение ядерных источников энергии не только для производства электрической и тепловой энергии, но и за счет аккумулирования энергии -производство водорода. В развитых странах мира приняты широкие программы исследований в области водородной энергетики. Общая стоимость этих программ составляет 100 млрд. долларов. Планируется внедрение водородной энергетики и технологии в ряд отраслей промышленности, и в первую очередь в промышленную теплоэнергетику. На первых этапах предполагается применения водорода в качестве дополнительного энерго-

носителя. Водород является вторичным продуктом на многих предприятиях химической промышленности (производство хлора) и получаемого из коксовых газов металлургических производств. Перспектива применения водорода тесно связана с производством метана из углей. Это производство позволит сократить не только транспортные расходы, но и существенно увеличить надежность теплоэнергетического оборудования.

Из этого следует, что разработка применения водорода, как энергоносителя в промышленной теплоэнергетики, является актуальной научной проблемой, имеющей важное научное значение в решении вопросов устойчивого развития общества, связанной со снижением экологической нагрузки на окружающую среду токсичными и канцерогенными веществами, и эффективного использования вторичных энергоресурсов и альтернативных топлив.

Цель диссертационного исследования состоит в теоретическом обобщении и разработки метода системного анализа когенераторных теплоэнергетических установок на основных принципах массо- и энергообмена по повышению энергетической и экологической эффективности на основе применения газотурбинных технологий и использования энергоакку-мулирующих веществ (ЭАВ) для непосредственного получения водорода, как дополнительного энергоносителя при организации двухступенчатой системы выделения тепла.

Основными задачами исследования являются:

  1. Разработка методологических основ системного анализа когенераторных энергетических установок на основных принципах выделения, преобразования и трансформации тепловой энергии.

  2. Теоретическое обоснование и разработка методов применения водорода в когенераторных теплоэнергетических установках для снижения экологического воздействия на окружающую среду.

  1. Разработка термодинамического метода анализа энергосберегающих технологий теплоэнергетических установок газотурбинного типа с учетом теплофизических свойств рабочего тела.

  2. Исследование и разработка методов покрытия пиковых нагрузок теплоэнергетических установок газотурбинного типа при впрыскивании водяного пара в газовый тракт.

  3. Исследование и разработка методов аккумулирования энергии ТЭС и АЭС в период их разгрузки путем применения энергоаккумулирую-щих веществ в качестве дополнительного энергоносителя для покрытия пиковых мощностей и повышения энергетических и экологических показателей.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

метод систематизации когенераторных энергетических систем на основе анализа процессов выделения энергии, ее преобразования и взаимодействия с массой в образовании рабочего процесса;

новый способ получения пиковой мощности на парогазовой установке и парогазовая установка для осуществления способа;

математическая модель рабочего процесса теплоэнергетической установки газотурбинного типа с двухступенчатой системой подвода теплоты, промежуточным охлаждением воздуха и утилизацией тепла уходящих газов;

результаты анализа энергетических характеристик углеводородного топлива с различными добавками водорода;

результаты исследования влияния добавок водорода на энергетические и экологические показатели теплоэнергетической установки;

результаты исследования впрыска водяного пара при вторичном подводе теплоты на энергетические и экономические показатели теплоэнергетической установки;

метод аккумулирования ядерной энергии и угля посредством приме
нения газотурбинных технологий и использования энергоаккмули-
рующих веществ.

Апробация работы. Основные результаты работы и положения докладывались на:

Ш-ей научно-технической конференции "Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах" (Москва, ВВИА им. Н.Е. Жуковского), в 1996;

Научно-методической конференции посвященной 50-летию кафедры "Теории Воздушно-реактивных двигателей".(Москва, МАИ), в 1995 г

XX научных чтений по космонавтике. Симпозиум, посвященный памяти академика Б.С. Стечкина. (Москва. МГУ), в 1996 г.

Семинар «Системный анализ в технике» (Москва, МАИ), в 2001 г.

П-ом Международном совещании по использованию энергоаккуму-лируюших веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе (Москва, ИМАШ РАН), в 2000 г.

VI-ой научно - технической конференции по применению криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах (Москва, ВАТУ им. Н.Е. Жуковского), в 2002 г.

Ш-ем Международном совещании по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте (Москва, ИМАШ РАН), в 2002 г.

Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях термо- и газодинамики, теории газотурбинных установок, теории тепломассообмена и подтверждается использованием современных методов математического моделирования и на совпадении расчетных данных с экспериментальными результатами.

Практическая ценность. Результаты работы позволяют обосновать выбор структуры перспективных теплоэнергетических установок на начальном этапе проектирования и перейти на новый уровень технологии использования систем автоматизированного проектирования и расчета технических объектов. Разработанные научно-технические рекомендации по энергосбережению первичных топливных ресурсов и повышению экологической безопасности теплоэнергетических установок газотурбинного типа применимы при разработке перспективных систем когенерации. Предложенные методы математического моделирования позволяют проводить в проектных организациях технико-экономическую оценку перспективных схем теплоэнергетических установок. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе вузов теплоэнергетического профиля в курсах «Тепловые двигатели и нагнетатели», а также в курсовом и дипломном проектировании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 236 страницах и содержащих 56 рисунков, 26 таблиц, а также приложения на 32 страницах и списка использованных источников из 132 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и перспективность темы диссертации и дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены основные аспекты топливно-экологической проблемы в промышленной теплоэнергетике, исходя из условий повышения эффективности использования и уменьшения объема потребления природных ресурсов за счет когенерации при совместном производстве электрической и тепловой энергии.

Вторая глава посвящена разработке метода системного анализа коге-нераторной энергетической системы, основанного на принципах массо- и энергообмена и новому техническому решению полученному автором на способ получения пиковой мощности на парогазовой установке и парогазовая установка для осуществления способа.

В третьей главе рассмотрены вопросы построения математической модели теплоэнергетической установки газотурбинного типа с промежуточным охлаждением воздуха, двухступенчатым подводом тепла, регенерацией теплоты и утилизацией энергии уходящих газов.

В четвертой главе обобщены результаты использования энергоакку-мулирующих веществ в теплоэнергетических установок для создания экологически чистых технологий получения энергии.

В пятой главе проведен анализ применения водорода в энергетике и выполнены исследования влияния добавок водорода в углеводородное топливо на энергетические и экологические показатели теплоэнергетической установки.

В шестой главе проведен анализ различных способов повышения мощности путем впрыскивания жидкости и выполнены исследования влияния впрыска водяного пара при вторичном подводе теплоты на энергетические и экономические показатели теплоэнергетической установки.

В седьмой главе проведен анализ технологий аккумулирования ядерной энергии и использования угля в ТЭУ газотурбинного типа, на основании которой предложен новый подход аккумулирования ядерной энергии и угля посредством применения газотурбинных технологий и использования энергоаккмулирующих веществ

Подобные работы
Тимакова Ольга Викторовна
Автономная система солнечного отопления и горячего водоснабжения с использованием аккумулирования на основе веществ с фазовым переходом
Лукин Максим Васильевич
Повышение эффективности эксплуатации систем теплоснабжения на основе модификации теплообменных поверхностей с использованием поверхностно-активных веществ
Архарова Анастасия Юрьевна
Разработка и анализ систем подогрева газа в детандер-генераторных установках
Жаров Дмитрий Владимирович
Анализ и повышение эффективности промышленных систем воздухоснабжения
Фролов Максим Вячеславович
Повышение энерго- и ресурсосбережения в городских системах теплоснабжения на основе использования новых информационных технологий
Такташев Рашид Нявмянович
Разработка рекомендаций по энергосбережению в системе циркуляционного подогрева мазута на основе численного моделирования теплопереноса в резервуарах
Султангузин Ильдар Айдарович
Научно-технические основы моделирования и оптимизации энерготехнологической системы металлургического комбината
Волков Виталий Алексеевич
Повышение энергоэффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирования на основе оптимизации их композиционных решений
Лопатин Михаил Юрьевич
Разработка на основе концепции интенсивного энергосбережения перспективной модели теплотехнологической системы производства черновой меди
Осипов Айрат Линарович
Исследование и разработка схем теплоснабжения для использования низкопотенциального тепла на основе применения теплонасосных установок

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net