Известия РАН. Энергетика, 2019, № 6, стр. 110-120

ВВЕДЕНИЕ

Значительная часть древесной биомассы в виде отходов лесозаготовок и деревообработки, имеющаяся в настоящая время во многих регионах РФ, особенно на востоке страны, не вовлечена в процесс производства электрической и тепловой энергии. Полезное использование древесного топлива в энергетических установках позволяет, во многих случаях, сократить количество вредных выбросов и повысить экономичность по сравнению с другим видом твердого топлива. Для систем автономного энергоснабжения отдаленных территорий это является особенно актуальным.

Прямое сжигание древесной биомассы в энергетических установках, по сравнению с ее газификацией, является более технологически освоенным процессом. В таких установках реализуется термодинамический цикл Ренкина – традиционный на воде и водяном паре, и органический цикл Ренкина с использованием органических рабочих тел (ОЦР).

Исследования установок ОЦР отражены в значительном количестве работ, например, [1–9]. Рассматривались вопросы выбора рабочих тел, оптимизации параметров цикла, теплообменников, был представлен обзор рынка установок. Однако в указанных работах не проводилась согласованная оптимизация параметров цикла и конструктивных параметров отдельных элементов, а также сопоставление с традиционным циклом Ренкина. Это значительно снижало обоснованность принимаемых схемно-параметрических решений. Для решения таких задач в ИСЭМ СО РАН были разработаны эффективные методы математического моделирования и оптимизации параметров сложных ТЭУ [10, 11].

Целью настоящей работы является проведение оптимизационных исследований установок, сжигающих древесную биомассу. При этом исследуется установка, работающая по органическому циклу Ренкина (рабочее тело – пентан), установка, работающая по циклу Ренкина с традиционным рабочим телом – водой и комбинированная установка, в которой на “верхнем” температурном уровне используется вода, а на “нижнем” – пентан. Кроме того, рассматриваются варианты с сушкой древесной биомассы перед подачей в котел, при этом сушка осуществляется дымовыми газами или горячим воздухом. Дополнительно рассматривается вариант, когда сушка не производится.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВОК НА ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЕ

На рисунке 1 представлена расчетная схема установки, работающей по традиционному циклу Ренкина на водяном паре с сушкой топлива за счет тепла уходящих дымовых газов (рис. 1а) и сушкой топлива за счет отбора части воздуха после воздухоподогревателя (рис. 1б). Кроме того, рассматривается вариант без сушки, в котором весь подогретый воздух направляется в котел на сжигание биомассы.

Паровой котел состоит из экранированной топки, в которой осуществляется факельное сжигание топлива, с включением части экранов в испарительный контур. Кроме того, в топке располагается первая (радиационная) ступень пароперегревателя. Продукты сгорания из топки поступают последовательно в конвективные поверхности нагрева – пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель. Пар из пароперегревателя поступает в первый отсек паровой турбины. Часть пара, выходящего из этого отсека, направляется в регенеративный подогреватель высокого давления. Из второго отсека водяной пар отбирается на деаэратор, из третьего – на регенеративный подогреватель низкого давления. Пар, отработавший в четвертом отсеке, направляется в конденсатор.

Как будет показано далее, наиболее эффективным как по экономической, так и по энергетической эффективности, является сушка уходящими газами, поэтому при исследовании установки с ОЦР и комбинированной установки ОЦР рассматривается только такой вариант сушки.

На рисунке 2 представлена расчетная схема установки комбинированного ОЦР. Здесь водяной пар из четвертого отсека направляется в испаритель ОЦР. В испарителе водяной пар конденсируется внутри труб и отдает тепло пентану, который кипит в межтрубном пространстве. Далее пар пентана направляется в турбину ОЦР, где расширяется и производит механическую работу. Из турбины этот пар поступает в конденсатор ОЦР, где отдает тепло охлаждающей воде. После конденсатора жидкий пентан подается в насос, где его давление повышается, и далее направляется в испаритель.

На рисунке 3 показана расчетная схема установки, работающей по классическому ОЦР с котлом на органическом теплоносителе (термомасле Dowtherm A [12]). Кипения термомасла в котле не происходит, оно последовательно проходит три ступени подогрева. При этом первая и третья ступени – конвективные, вторая, расположенная в топке – радиационная. Кроме того, в котле имеется воздухоподогреватель. Нагретое масло поступает в испаритель, где отдает тепло кипящему органическому рабочему телу (пентану). Пентановый пар поступает в турбину, затем в регенератор, далее в конденсатор. В регенераторе пар нагревает конденсат пентана, поступающий из конденсатора, который затем подается в испаритель. Дымовые газы после воздухоподогревателя направляются на сушку топлива.

Математические модели установок были созданы с помощью разработанного в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН программно-вычислительного комплекса “Система машинного построения программ (СМПП)”. Для расчета термодинамических и транспортных свойств рабочих тел, применяемых в ОЦР, был использован подход, основанный на построении интерполяционных зависимостей между заданными базовыми точками, в которых свойства известны. В качестве таких базовых точек использовались данные, приведенные в [13] и в открытых источниках (например, [14]). Разработаны математические модели элементов органического цикла Ренкина: испарителя, конденсатора, турбины и насоса на органических рабочих телах. Кроме того, разработана модель сушильной установки древесной биомассы, позволяющая повысить ее теплотворную способность перед подачей топлива в топку парового котла. Модели включают уравнения теплового и материального баланса, теплопередачи, сжатия и расширения рабочих тел и др.

В качестве критерия экономической эффективности был принят минимум цены электроэнергии $\left( {{{C}_{{el}}}} \right)$ при заданном значении внутренней нормы возврата капиталовложений (IRR). При определении ${{C}_{{el}}}$ для энергетической установки были сделаны следующие допущения, практически не влияющие на определение ${{C}_{{el}}}.$

1. Установка работает в базовой части графика электрических нагрузок энергосистемы, поэтому рассматривается номинальный режим работы. Капиталовложения по годам строительства энергоблока распределяются равномерно.

2. Полезный годовой отпуск электроэнергии для всех лет эксплуатации установки принимается одинаковым и определяется из выражения

где ${{N}_{{{\text{полезн}}}}}$ – полезная мощность энергоблока в расчетном режиме, h – годовое число часов использования полезной мощности.

3. Годовые топливные издержки для всех лет эксплуатации энергоблока принимаются одинаковыми и определяются из выражения

где ${{В}^{{{\text{час}}}}}$ – часовой расход топлива в расчетном режиме, ${{С}^{{{\text{топ}}}}}$ – цена топлива, принимаемая для всех лет расчетного периода эксплуатации.

4. Ежегодные условно-постоянные эксплуатационные издержки ${\text{И}}_{{{\text{уп}}}}^{{{\text{год}}}}{\text{,}}$ не зависящие от числа часов использования полезной мощности, и ежегодные амортизационные отчисления ${\text{И}}_{{{\text{ам}}}}^{{{\text{год}}}}$ принимаются постоянными для всех лет расчетного периода и определяются из выражений

где ${{{\text{К}}}_{{{\text{уст}}}}}$ – капиталовложения в установку, ${{{\alpha }}_{{{\text{уп}}}}}{\text{,}}\,\,{{{\alpha }}_{{{\text{ам}}}}}$ – доли годовых условно-постоянных издержек и амортизационных отчислений от ${{{\text{К}}}_{{{\text{уст}}}}}{\text{.}}$

При этих допущениях цена электроэнергии определяется из уравнения

где ${{Т}_{{{\text{стр}}}}}$ – число лет строительства установки, ${{Т}_{{{\text{экспл}}}}}$ – число лет эксплуатации установки.

Цена электроэнергии ${{C}_{{el}}},$ при которой уравнение (5) выполняется, определяется из выражения

где

Математические модели установок, в зависимости от рабочих тел и вариантов схем, содержат от 248 до 401 информационно-входных, от 268 до 451 информационно-выходных и от 5 до 13 итерационно уточняемых параметров. В качестве оптимизируемых были приняты расходы теплоносителей и рабочих тел, их термодинамические параметры и конструктивные параметры отдельных элементов установок. Учитывались системы нелинейных ограничений-неравенств (таких как механическое напряжение материала труб, максимальная температура стенки трубы, концевые температурные напоры в теплообменниках и др.), определяющих области, в которых работа установки технически и физически допустима. Всего оптимизировалось от 22 до 33 параметров и учитывалось от 49 до 82 ограничений-неравенств.

При расчете были приняты следующие исходные данные. Характеристики топлива [15]: $Q_{i}^{r}$ = 10 048 кДж/кг, $W_{{}}^{r}$ = 40%, ${{A}^{r}}$ = 1%, ${{S}^{r}}$ = 0.1%, ${{C}^{r}}$ = 29%, ${{H}^{r}}$ = 2.9%, ${{N}^{r}}$ = 0.6%, ${{O}^{r}}$ = = 26.4%, где $Q_{i}^{r}$ – низшая теплотворная способность влажного топлива, ${{W}^{r}},$ ${{A}^{r}},$ ${{S}^{r}},$ ${{C}^{r}},$ ${{H}^{r}},$ ${{N}^{r}},$ ${{O}^{r}}$ – весовые доли (в %) на рабочую массу древесного топлива воды, золы, серы, углерода, водорода, азота и кислорода. Принималось, что после сушки влажность топлива снижалась до 20%, а низшая теплота сгорания возрастала до 14 124 кДж/кг. При оптимизации принято, что температура уходящих газов или воздуха, направляемых на сушку древесной биомассы, должна находиться в диапазоне 250–300°С, а давление пара в конденсаторе пентана не должно быть ниже атмосферного (что обеспечит отсутствие присосов воздуха в пентановый контур).

Стоимости турбин, насосов, дутьевых вентиляторов, дымососов определяются по удельным стоимостям их мощности, стоимость пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя, регенеративных подогревателей и других теплообменников – по удельной стоимости массы металла или площади теплообменных поверхностей. Учитываются составляющие капиталовложений, зависящие от электрической мощности, объема топлива, стоимости основного оборудования и др. Кроме того, учитывается постоянная, в пределах заданного диапазона мощности, часть капиталовложений. В работе принято, что полезная мощность должна лежать в диапазоне 15–16 МВт. Заданное значение IRR было принято равным 12%, цена топлива – 20 дол./т у.т.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты оптимизационных расчетов варианта с традиционным циклом Ренкина представлены в табл. 1. Как видно, оптимальным вариантом как по критерию энергетической, так и экономической эффективности является вариант с сушкой биомассы дымовыми газами. Для этого варианта максимальный КПД нетто составляет 36.47%, а минимальная цена электроэнергии – 3.42 цент/кВт ч. При этом оптимальное давление острого пара лежит в диапазоне 7.13–8.15 МПа, а оптимальная температура пара – в диапазоне 476–497°С.

Для вариантов с комбинированным циклом Ренкина и классическим ОЦР рассматривается только сушка биомассы дымовыми газами. Результаты оптимизации варианта с комбинированным циклом Ренкина представлены в табл. 2. Как видно, для этого варианта критерии эффективности несколько ниже, чем для установки, работающей по традиционному циклу Ренкина. Максимальный КПД нетто равен 34.74%, а минимальная цена электроэнергии – 3.67 цент/кВт ч. При этом давление острого пара лежит в диапазоне 6.69–7.38 МПа, а температура – в диапазоне 476–496°С. Давление водяного пара на входе в испаритель пентана лежит в диапазоне 0.147– 0.25 МПа. Давление пара пентана на входе в турбину лежит в диапазоне 0.67–0.87 МПа. Давление в конденсаторе пентана находится в пределах 0.125–0.126 МПа. Как показали результаты оптимизации, температура пара пентана после турбины лишь незначительно больше температуры насыщения при давлении в конденсаторе. Поэтому установка регенератора в пентановом цикле не предусмотрена.

Результаты оптимизации установки, работающей по классическому циклу ОЦР, представлены в табл. 3. Как видно, этот вариант имеют существенно более низкий КПД – 16.48–17.45%, и значительно более высокую цену электроэнергии – 5.45–6.06 цент/кВт ч. При этом давление острого пара пентана лежит в диапазоне 1.67–1.82 МПа. Температура термомасла на выходе из котла составляет 344–363°С. Главная причина худших критериев эффективности данного варианта обусловлена низкой максимальной температурой рабочего тела, что приводит к низкому КПД и необходимости передавать большие тепловые потоки, для обеспечения той же полезной мощности, что и в двух ранее рассмотренных вариантах. При оптимальных давлениях пара на входе и выходе пентановой турбины имеет место превышение температуры выходного пара над температурой насыщения, поэтому в данной схеме целесообразна установка регенератора в пентановом цикле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сопоставление результатов оптимизационных расчетов показывает:

1. Использование сушки древесной биомассы за счет тепла дымовых газов является более эффективным, чем сжигание сырого топлива или сушки за счет тепла горячего воздуха.

2. Наихудшие показатели энергетической и экономической эффективности имеет вариант с классическим органическим циклом Ренкина. Это объясняется невысоким КПД цикла, связанным с низкой температурой пара пентана после испарителя. При этом существенно увеличивается количество передаваемого тепла, что приводит к увеличению расхода сжигаемого топлива и росту площади теплопередающих поверхностей.

3. Экономические и энергетические характеристики чисто парового цикла и комбинированного цикла достаточно близки. При этом некоторое преимущество имеет традиционный цикл Ренкина на воде. Вместе с тем комбинированный цикл обеспечивает компактность пентановой турбины, по сравнению с ЦНД турбины на водяном паре, за счет значительно более высокого давления пентана на выходе из турбины.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-08-01068 а.