4857

Приводятся термодинамические циклы в различных координатах, формулы для определения количества подведенной и отведенной теплоты.

Производится построение индикаторной диаграммы поршневых двигателей.. Рассматриваются преимущества и недостатки поршневых двигателей по сравнению

с другими электрогенерирующими установками.

Тема: Схемы мини-ТЭЦ с газовыми турбинами. Термодинамические циклы.

Благодаря повсеместному переходу в 90-е годы прошлого века на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики, газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. В настоящее время выпускаются газовые турбины малой мощности, что позволяет использовать их в котельных установках для получения электрической энергии дополнительно к тепловой [4-5,12,14].

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается; образующиеся продукты горения с высокой температурой, проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор.

Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов газообразного топлива.

Приводится схема мини-ТЭЦ с газовой турбиной. Рассматриваются преимущества и недостатки газовой турбины с другими электрогенераторами.

Для сопоставления экономичности различных видов газотурбинных установок (ГТУ) используются методы термодинамического анализа.

В качестве примера проводится сравнительный анализ термодинамических циклов газотурбинной установки (ГТУ) с изохорным и изобарным подводом теплоты [12,14].

Рассматривается эффективность термодинамических циклов в зависимости от характерных факторов – степени сжатия и степени повышения давления.

Порядок термодинамического расчета ГТУ приведен на стр.192 [12].

Особо отмечается, что все термодинамические процессы действительного цикла осуществляются с той или иной степенью необратимости. Необратимость процессов снижает эффективность преобразования теплоты в работу. Поэтому при анализе эффективности термодинамических циклов решаются две задачи:

-определяют, от каких параметров зависит КПД обратимого цикла;

-находят степень необратимости процессов действительного цикла и устанавливают, какие процессы целесообразно совершенствовать с целью уменьшения необратимых потерь и повышения КПД цикла.

Степень совершенства действительных циклов характеризуется индикаторным КПД цикла двигателя [12, 14]. Для этого оцениваются внутренние и внешние потери в ГТУ.

Приводятся способы повышения эффективности газотурбинных установок, например регенерация теплоты уходящих газов.

Тема: Тепловые процессы в парогазовой мини-ТЭЦ. Термодинамические циклы

11

Парогазовые установки (ПГТУ) применяются в основном на конденсационных электростанциях с целью повышения КПД с 2230% до 42% [14].

ПГТУ рационально сочетают в себе особенности парового и газотурбинного циклов. Установка работает следующим образом.

Паротурбинная часть: атмосферный воздух сжимается в компрессоре и вместе с топливом подается в парогенератор (паровой котел). Продукты сгорания охлаждаются в котле, нагревая конденсат и превращая его в пар. Полученный пар поступает в паровую турбину, расширяется до глубокого вакуума, совершая работу, а далее конденсируется в конденсаторе, подается на теплообменник и возвращается насосом в паровой котел. Паровой цикл замыкается.

Работа газотурбинной части установки ПГТУ осуществляется так. Продукты сгорания от котла поступают в газовую турбину; отработанные в турбине пропускаются через теплообменник, где охлаждаются и удаляются в атмосферу.

С термодинамических позиций - это бинарный цикл, состоящий из газовой и паровой ступеней. Расчет термодинамического бинарного цикла проводится аналогично приведенным ранее расчетам газового и парового циклов.

Приводится схема парогазовой ТЭЦ, анализируется входящее в схему оборудование. Определяется эффективность работы парогазовой установки.

Контрольные вопросы

1.Что такое когенерация? В чем заключается сущность процесса когенерации? Приведите схемы процесса одновременной и совместной выработки тепловой и электрической энергии и проанализируйте их?

2.Какие виды мини-ТЭЦ наиболее распространены?

3.В чем заключается реконструкция паровой котельной в мини-ТЭЦ?

4.Назовите преимущества и недостатки паротурбинных мини-ТЭЦ;

5.Каковы характеристики паровых турбин малой мощности и основные предприятия – производители паровых турбин?

6. Назовите принцип работы поршневых двигателей, используемых для автономной выработки электроэнергии в стационарных котельных установках;

7.Какой из видов топлива наиболее рационально использовать в поршневых дви-

гателях?

8.Каков принцип работы газо-поршневого двигателя?

9.Каков принцип работы газовой турбины?

10.В каких случаях целесообразно применять газотурбинные мини-ТЭЦ?

11.Проанализируйте преимущества и недостатки каждого их тепловых двигателей, используемых в когенерационных установках для производства электрической энергии

12

3. Методические рекомендации по подготовке к практическим занятиям

3.1.Общие рекомендации по проведению практических занятий

В соответствии с рабочей программой курса предусмотрено 101 час практических занятий. Практические занятия в аудитории состоят из семинаров-дискуссий, на которых рассматриваются научные основы изучаемых процессов и учебных занятий по расчету и обоснованию оборудования когенерационной установки с использованием современных отечественных и зарубежных достижений.

Практические занятия направлены на освоение теоретических знаний, сформированных в лекционном курсе, и выработку умений и навыков самостоятельного решения технических задач по предлагаемым темам. Выдаваемый студентам «Перечень практических занятий» позволяет сориентировать студентов в направлении поиска информации по конкретной теме семинара-дискуссии, поиску технических решений по индивидуальным заданиям.

Предлагается широкий спектр литературных источников, позволяющий расширить возможности студентов при самостоятельной подготовке к изучению лекционного курса, подготовке к семинарам, выполнению индивидуальных заданий, курсовой работы и экзамену. Кроме того, студентам необходимо знакомиться с дополнительной литературой, а также с новыми публикациями в периодических изданиях. При этом необходимо учесть рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Желательно готовить конспекты по изучаемым темам. Это особенно относится к тематике семинарских занятий, на которых производится дискуссия по предложенной тематике, в ходе которой студенты отвечают на вопросы, представленные в разделе 3.3. При этом студент может дополнить список использованной литературы современными источниками, не представленными в списке рекомендованной литературы, и в дальнейшем использовать собственные подготовленные учебные материалы при выполнении курсовой работы.

Впроцессе проведения практических занятий используются различные методики

иформы работы: экспресс-опрос, семинар-дискуссия, демонстрация разработанных схем

итехнических решений на доске, тестирование, обучающие игры. Обязательно используются наглядные пособия.

На практических занятиях осуществляется текущий контроль работы обучающихся, включая контроль выполнения индивидуальных заданий.

3.2. Вопросы по тематике семинаров-дискуссий

Подготовка к семинарским занятиям призвана сформировать у студентов навыки самостоятельного анализа информации по теме, умение дать по тому или иному техническому решению или проблеме аргументированный ответ, умение ориентироваться в литературных источниках, формулировать собственные оценки, выводы, мнения по предложенной тематике.

Важной функцией семинарских занятий является углубление знаний, полученных в процессе подготовки к семинарудискуссии, их закрепление и применение при подготовке к выполнению индивидуальных заданий.

Семинарские занятия включают в себя такие формы учебной деятельности как устные выступления с докладами и их обсуждения, экспресс-опрос по теме и анализ особенностей решения обсуждаемой технической проблемы.

Таким образом, семинарские занятия, как активная форма изучения темы, являются оптимальным средством контроля учебной деятельности студентов, а итоговые оценки, полученные на семинарских занятиях, влияют на результаты промежуточной аттестации.

Перечень практических и семинарских занятий приведен в таблице 2.

13

Таблица 2. Перечень практических и семинарских занятий Таблица 2. Перечень практических и семинарских занятий

	№		Наименование занятия				число	Вид занятия
	п/п						часов
		Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами.
	1	Схемы.	Преимущества			и недостатки	2	семинар-дискуссия
		паротурбинных мини-ТЭЦ. Корректи-
		ровка тепловой схемы котельной
		Сопоставление тепловых процессов в
	2	конденсационной			и противодавленче-		2	практическое занятие
		ской турбинах.
		Мини-ТЭЦ с газопоршневыми агрега-
		тами. Схемы. Преимущества и недо-
	3	статки	мини-ТЭЦ с поршневыми дви-				2	семинар-дискуссия
		гателями. Термодинамические циклы.
		Корректировка тепловой схемы ко-
		тельной.
		Способы утилизации теплоты уходя-
	4	щих газов		газопоршневого агрегата.			2	практическое занятие
		Корректировка тепловой схемы ко-
		тельной с газопоршневыми агрегатами.
		Схемы мини-ТЭЦ с газовыми турби-
	5	нами. Преимущества и недостатки га-					2	семинар-дискуссия
		зотурбинных мини-ТЭЦ.
		Утилизация		теплоты выхлопных газов
		от газотурбинной установки (ГТУ).
	6	Виды	утилизаторов.			Корректировка	2	практическое занятие
		тепловой схемы котельной с газовой
		турбиной
		Сравнительный			экономический
		анализ	котельной до и после рекон-
	7	струкции в мини-ТЭЦ. Окупаемость					2	практическое занятие
		реконструкции котельной в мини-
		ТЭЦ
					ИТОГО		14

Ниже приведены темы семинарских занятий и обсуждаемые вопросы, а также №№ занятий, когда дискуссии проводятся.

Занятие 1

Семинар-дискуссия

Тема: Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами. Схемы. Преимущества и недостатки паротурбинных мини-ТЭЦ. Корректировка тепловой схемы котельной

В ходе дискуссии студенты рассматривают методы автономной выработки электрической энергии на базе проектируемых или реконструируемых паровых котельных с целью их реконструкции в мини-ТЭЦ [4-5, 12-14].

Анализируются преимущества и недостатки паровых турбин в качестве двигателя электрогенератора. Рассматриваются конструкции двух видов паровых турбин, имеющих

14

наибольшее распространение на объектах малой энергетики: конденсационной и противодавленческой.

На классной доске выполняется корректировка тепловой схемы паровой котельной ввиду реконструкции котельной в мини-ТЭЦ.

По результатам изучения студенты должны ответить на следующие вопросы:

1.Каковы характеристики паровых турбин малой мощности и основные предприятия – производители паровых турбин?

2.Что такое теплота парообразования, и каким образом она может быть использована в когенерационных технологиях?

3.Каким образом влияют параметры вырабатываемого промышленным котлом пара на работу турбины?

4.В чем заключается реконструкция паровой котельной в мини-ТЭЦ?

5.Назовите преимущества и недостатки паротурбинных мини-ТЭЦ.

6.Проанализируйте преимущества и недостатки каждой из паровых турбин, используемых в когенерационных установках для производства электрической энергии

Занятие 2

Практическое занятие

Тема: Сопоставление тепловых процессов в конденсационной и противодавленческой турбинах

На занятии рассматривается необходимость применения термодинамических методов для выявления эффективности работы когенерационных установок [7-11,13,16-17].

Проводится экспресс-опрос студентов по остаточным знаниям в области термодинамики, изучаемой по программе бакалавриата. Повторяют характеристики рабочих тел (параметры состояния), участвующих в тепловых процессах преобразования тепловой энергии в работу, в том числе характеристики воды и водяного пара.

Характеристики термодинамических процессов представляются в диаграммах p-v, T-s, h-s. Проводится анализ таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Анализируются термодинамические циклы паротурбинных установок. Приводится цикл Ренкина для паросиловой установки (конденсационной турбины) и цикл противодавленческой турбины.

Особо отмечается, что все термодинамические процессы действительного цикла осуществляются с той или иной степенью необратимости. Необратимость процессов снижает эффективность преобразования теплоты в работу. Поэтому при анализе эффективности термодинамических циклов решаются две задачи:

-определяют, от каких параметров зависит КПД обратимого цикла;

-находят степень необратимости процессов действительного цикла и устанавливают, какие процессы целесообразно совершенствовать с целью уменьшения необратимых потерь и повышения КПД цикла.

Далее рассматриваются способы выявления энергетической эффективности паротурбинных установок, включая термический и эксергетический КПД, а также повышение эффективности использования органического топлива.

По результатам дискуссии студенты должны ответить на следующие вопросы:

15

1.Почему для исследования эффективности паровых турбин используют термодинамические методы?

2.В чем заключается преимущество перегретого пара как энергоносителя в паровых турбинах? Доказать путем построения термодинамического процесса на Т-s диаграмме.

3.Изобразите изменение термодинамических параметров рабочих тел в обратимом цикле производства электроэнергии в конденсационной турбине в диаграммах p-v, T-s, h-s.

4.Изобразите изменение термодинамических параметров рабочих тел в обратимом цикле производства электроэнергии в противодавленческой турбине в диаграммах p-v, T-s, h-s.

5.	Сопоставьте	тепловые процессы в конденсационной и противодавленческой
турбинах. Каковы преимущества, недостатки и область применения этих турбин?
6.	Что такое необратимость процессов действительного (необратимого) цикла и
как она влияет на эффективность преобразования теплоты?
7.	Сопоставьте	эффективность конденсационной и противодавленческой турби-

нах, включая показатели: термический КПД, эксергетический КПД, коэффициент использования органического топлива.

8. Каковы преимущества, недостатки и область применения конденсационных и противодавленческих турбин?

Занятие 3

Семинар-дискуссия

Тема: Мини-ТЭЦ с газопоршневыми агрегатами. Схемы. Преимущества и недостатки мини-ТЭЦ с поршневыми двигателями. Термодинамические циклы. Корректировка тепловой схемы котельной.

Впроцессе дискуссии рассматривают поршневые двигатели, работающие на жидком и газовом топливе. Отмечаются преимущества газо-поршневых двигателей. Анализируется принцип работы газо-поршневого двигателя. Сопоставляются теоретические термодинамические циклы с подводом теплоты при постоянном объеме, с подводом теплоты при постоянном давлении, с комбинированным подводом теплоты [9,15]. Анализируются действительные циклы двигателей и производится построение индикаторной диаграммы газо-поршневого двигателя [15]. Приводятся термодинамические циклы в различных координатах, формулы для определения количества подведенной и отведенной теплоты.

Рассматриваются преимущества и недостатки поршневых двигателей по сравнению

сдругими электрогенерирующими установками.

Входе дискуссии студенты находят ответы на следующие вопросы:

1. Назовите принцип работы поршневых двигателей, используемых для автономной выработки электроэнергии в стационарных котельных установках;

2.Какой из видов топлива наиболее рационально использовать в поршневых дви-

гателях?

3.Приведите технические и экономические преимущества и недостатки поршневых электрогенераторов. Сопоставьте с другими типами электрогенераторов в мини-ТЭЦ.

4.Каковы потери теплоты в поршневом двигателе?

5.Каковы различия в характеристиках термодинамических процессов в газопоршневых двигателях разного типа.

6.Как изменяется термический КПД в зависимости от параметров процесса?

7.Что такое индикаторная диаграмма поршневого двигателя?

16

Занятие 4

Практическое занятие

Тема: Способы утилизации теплоты уходящих газов газопоршневого агрегата. Корректировка тепловой схемы котельной с газопоршневыми агрегатами

На занятии анализируются типы теплоутилизаторов, применяемых для утилизации теплоты отходящих газов поршневых двигателей и воды из системы охлаждения двигателей. Рассматриваются котлы утилизаторы, теплообменники на выхлопном тракте, сушильные установки и др.[15] Выявляются преимущества и недостатки каждого из теплоутилизаторов. Осуществляется выбор теплоутилизатора и производится расчет поверхности нагрева и аэродинамическое сопротивление. Сопоставляются технико-экономические показатели [15, 21].

На классной доске приводится тепловая схема водогрейной котельной, и корректируются потоки теплоносителей в связи с установкой газопоршневого агрегата.

Впроцессе занятия производится экспресс-опрос по теме:

1.Как оценить энергетический потенциал отходящих газов поршневых генераторов?

2.Оцените энергетический потенциал нагретой воды из системы охлаждения поршневых двигателей.

3.Какие типы котлов - утилизаторов Вы знаете. Приведите их характеристики.

4.Как производится выбор котла-утилизатора?

5.Приведите баланс теплообменника, размещенного на газовом тракте поршневого двигателя?

6.Когда используются автономные и параллельные режимы работы источника электроэнергии малой мощности и энергосистемы?

7.Как осуществляется корректировка тепловой схемы водогрейной котельной в ми- ни-ТЭЦ с установкой поршневого электрогенератора?

Занятие 5

Семинардискуссия

Тема: Схемы мини-ТЭЦ с газовыми турбинами. Преимущества и недостатки газотурбинных мини-ТЭЦ.

В процессе дискуссии анализируются процессы, проходящие в газотурбинных установках [12,14]. Приводится схема мини-ТЭЦ с газовой турбиной. Рассматриваются преимущества и недостатки газовой турбины с другими электрогенераторами. Для сопоставления экономичности различных видов газотурбинных установок (ГТУ) используются методы термодинамического анализа. В качестве примера проводится сравнительный анализ термодинамических циклов газотурбинной установки (ГТУ) с изохорным и изобарным подводом теплоты [12,14].

Рассматривается эффективность термодинамических циклов в зависимости от характерных факторов – степени сжатия и степени повышения давления.

17

Анализируются процессы утилизации тепловой энергии предвключенной газовой турбины в топочной камере и газовом тракте котельного агрегата. Анализируются изменения в объемах продуктов сгорания и распределении температур по газовому тракту, связанные с введением сбросных газов турбины в топочную камеру водогрейного котла.

В ходе дискуссии студенты находят ответы на следующие вопросы:

1.В каких случаях целесообразно применять газо - турбинные мини-ТЭЦ?

2.Каковы технические и экономические преимущества газотурбинных установок?

3.Каковы различия в термодинамических циклах газо-турбинных установок в зависимости от степени сжатия и степени повышения давления?

4.Каковы особенности схемы газового тракта газотурбинной установки в водогрейной котельной.

5.Каким образом осуществляется утилизация теплоты выхлопных газов от газотурбинной установки в водогрейной котельной?

6.Назовите этапы расчета водогрейного котла с предвключенной газовой турбиной.

Занятие 6

Практическое занятие

Тема: Утилизация теплоты выхлопных газов от газотурбинной установки (ГТУ). Виды утилизаторов. Корректировка тепловой схемы котельной с газовой турбиной

Оценивается энергетический потенциал продуктов сгорания газового топлива на выходе из турбины (на основе данных о расходе продуктов сгорания и температуре уходящих газов).

Рассматриваются различные виды утилизаторов.

В качестве примера анализируются процессы утилизации тепловой энергии предвключенной газовой турбины в топочной камере и газовом тракте котельного агрегата.

Рассматриваются этапы поверочного расчета котлоагрегата с использованием теплоты продуктов сгорания газовой турбины.

Анализируются изменения в объемах продуктов сгорания и распределении температур по газовому тракту, связанные с введением сбросных газов турбины в топочную камеру водогрейного котла.

Занятие 7

Практическое занятие

Тема: Сравнительный экономический анализ котельной до и после реконструкции в мини-ТЭЦ. Окупаемость реконструкции котельной в мини-ТЭЦ

Технико-экономическое обоснование проводится с целью оценки технического уровня и экономической эффективности предложенных технических решений по реконструкции котельной в мини-ТЭЦ и выбора оптимального варианта проектного решения [6, 21, приложение В].

18

Выбор оптимального варианта проводят на основе определения показателей сравнительной эффективности капиталовложений и новой техники.

При этом используют метод окупаемости, позволяющий соизмерить по сравниваемым вариантам капиталовложения и эксплуатационные затраты и на этой основе выбрать наилучший.

Срок окупаемости проекта – время, в течение которого сумма затрат на разработку и реализацию проекта окупится за счет полученного экономического эффекта от внедрения энергоэффективного мероприятия.

Расчет сроков окупаемости состоит из 2х этапов: определение состава затрат и экономической эффективности предложенной технологии.

Состав затрат (укрупненные капиталовложения) – включает затраты на выполнение предпроектных работ (ТЭО, обоснование инвестиций, бизнес-план) проектных работ, приобретение оборудования, производство строительно-монтажных и пусконаладочных работ.

Экономическая эффективность подсчитывается из условий экономии органического топлива за счет подачи продуктов сгорания от турбины в топочную камеру котла, снижения себестоимости тепловой энергии и электрической энергии, снижения удельного расхода топлива на единицу выработанной энергии, снижения платы за загрязнение окружающей среды и т.п.

Расчет окупаемости турбогенератора в паровой котельной приведен в Приложении В.

19

4. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы

4.1. Общие рекомендации для проведения самостоятельной работы

Самостоятельная работа студентов является основным способом овладения учебным материалом в свободное от обязательных учебных занятий время.

Целями самостоятельной работы студентов являются: систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов; углубление и расширение теоретических знаний; формирование умений использовать нормативную, справочную документацию и специальную литературу; развитие познавательных способностей и активности студентов; формирование самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации.

В соответствии рабочей программой, самостоятельная работа по данной дисциплине составляет 101 часа и проводится в следующих направлениях:

-изучение материалов обзорной лекции;

-подготовка к семинарским занятиям по предложенным темам;

-подготовка к практическим занятиям;

-выполнение индивидуальных заданий по практическим занятиям;

-выполнение курсовой работы;

-подготовка к промежуточной аттестации

Для успешного решения поставленных задач студентам предлагается список литературных источников. Кроме того, студент может использовать собственный поиск через систематический каталог в библиотеке, просмотр специальных периодических изданий по рассматриваемым темам и анализировать материалы, размещенные в сети Интернет. При этом следует учитывать, что учебники и учебные пособия предназначены для студентов и магистрантов, а монографии и статьи ориентированы на исследователя.

4.2 Темы для на самостоятельного изучения

На самостоятельное изучение выделены следующие разделы дисциплины (см. рабчую программу по дисциплине):

Раздел 5. Парогазовые когенерационные установки на базе паро-водогрейной котельной.

Парогазовые установки. Принципиальные схемы. Термодинамические циклы. Парогазовые установки на базе паро-водогрейной котельной. Преимущества и недостатки парогазовой мини-ТЭЦ.

Раздел 6. Экологическая и экономическая оценка когенерационных установок на базе котельных.

Экологическая оценка когенерационных установок. Охрана воздушного бассейна от выбросов когенерационных установок.

На самостоятельное изучение выделена также информация о проведении режимноналадочных испытаний котельной, необходимых для решения вопросов о переводе действующей котельной в режим работы мини-ТЭЦ ( см. стр. 21).

Краткая информация к разделу 5

Парогазовые установки (ПГТУ) применяются в основном на конденсационных электростанциях с целью повышения КПД с 2230% до 42% [14].

20