Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации
Проведено дослідження ефективності теплових схем шахтних енергокомплексів на основі паротурбінної когенерації. Розглянуто два варіанти схем - з конденсаційними турбінами та з комплексом турбін із противотиском і гідропарових турбін. Показана перспективність використання енергокомплексів, що виробляю...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53749 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации / И.Л. Дякун, И.Ю. Комлева // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 239-245. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53749 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-537492014-01-27T03:12:26Z Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации Дякун, И.Л. Комлева, И.Ю. Проведено дослідження ефективності теплових схем шахтних енергокомплексів на основі паротурбінної когенерації. Розглянуто два варіанти схем - з конденсаційними турбінами та з комплексом турбін із противотиском і гідропарових турбін. Показана перспективність використання енергокомплексів, що виробляють електроенергію на тепловому споживанні. Враховано сезонні змін теплових навантажень, які суттєво впливають на кількість електроенергії, що виробляється. In this paper the efficiency thermal schemes of mine energy complexes on the basis of steamturbine cogeneration was researched. Two variants of schemes - with condensing turbines and with the complex back-pressures and steam-water turbines were considered. The perspective use of energy complexes those generate electric power on heat utilization was discussed. Seasonal changes of heat loads those substantially influence on quantity of electric power output were taken into account. 2012 Article Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации / И.Л. Дякун, И.Ю. Комлева // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 239-245. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53749 621.165:697.34:620.92 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Проведено дослідження ефективності теплових схем шахтних енергокомплексів на основі паротурбінної когенерації. Розглянуто два варіанти схем - з конденсаційними турбінами та з комплексом турбін із противотиском і гідропарових турбін. Показана перспективність використання енергокомплексів, що виробляють електроенергію на тепловому споживанні. Враховано сезонні змін теплових навантажень, які суттєво впливають на кількість електроенергії, що виробляється. |
| format |
Article |
| author |
Дякун, И.Л. Комлева, И.Ю. |
| spellingShingle |
Дякун, И.Л. Комлева, И.Ю. Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации Геотехническая механика |
| author_facet |
Дякун, И.Л. Комлева, И.Ю. |
| author_sort |
Дякун, И.Л. |
| title |
Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации |
| title_short |
Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации |
| title_full |
Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации |
| title_fullStr |
Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации |
| title_full_unstemmed |
Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации |
| title_sort |
эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53749 |
| citation_txt |
Эффективность тепловых схем шахтных энергокомплексов на базе паротурбинной когенерации / И.Л. Дякун, И.Ю. Комлева // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 239-245. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT dâkunil éffektivnostʹteplovyhshemšahtnyhénergokompleksovnabazeparoturbinnojkogeneracii AT komlevaiû éffektivnostʹteplovyhshemšahtnyhénergokompleksovnabazeparoturbinnojkogeneracii |
| first_indexed |
2025-07-05T05:05:36Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:05:36Z |
| _version_ |
1836782124398542848 |
| fulltext |
239
УДК 621.165:697.34:620.92
Мл. научн. сотр. И.Л. Дякун,
асп. И.Ю. Комлева
(ИГТМ НАН Украины)
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ШАХТНЫХ
ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ
ПАРОТУРБИННОЙ КОГЕНЕРАЦИИ
Проведено дослідження ефективності теплових схем шахтних енергокомплексів на осно-
ві паротурбінної когенерації. Розглянуто два варіанти схем - з конденсаційними турбінами та
з комплексом турбін із противотиском і гідропарових турбін. Показана перспективність ви-
користання енергокомплексів, що виробляють електроенергію на тепловому споживанні.
Враховано сезонні змін теплових навантажень, які суттєво впливають на кількість електро-
енергії, що виробляється.
THE EFFICIENCY THERMAL SCHEMES OF MINE
ENERGY-COMPLEXES ON THE BASIS OF
OF STEAM-TURBINE COGENERATION
In this paper the efficiency thermal schemes of mine energy complexes on the basis of steam-
turbine cogeneration was researched. Two variants of schemes - with condensing turbines and with
the complex back-pressures and steam-water turbines were considered. The perspective use of
energy complexes those generate electric power on heat utilization was discussed. Seasonal changes
of heat loads those substantially influence on quantity of electric power output were taken into
account.
Одним из перспективных направлений развития энергетики является созда-
ние энергокомплексов, вырабатывающих электроэнергию на тепловом потреб-
лении и располагающихся в непосредственной близости от угольных шахт. При
создании данного типа энергокомплексов необходимо учитывать сезонные из-
менения тепловой нагрузки, существенно влияющие на эффективность ком-
плексов и количество вырабатываемой электроэнергии. В данной работе прово-
дится исследование и сравнение показателей эффективности различных тепло-
вых схем. Рассматривается два варианта схем: 1 – схема с конденсационными
турбинами, представленная на рисунке 1; 2 – схема с комплексом противодав-
ленческих и гидропаровых турбин, представленная на рисунке 2. Числами в
кружках пронумерованы узловые точки, в которых производился расчет пара-
метров состояния рабочей среды и ее расхода. Приведенные рисунки 1 и 2
включают в себя основные элементы: К – котел; Т – турбина; ТО – теплооб-
менник; KН – конденсатор; Н– насос; РППВ – система регенеративного подог-
рева питательной воды.
240
Рис. 1 – Принципиальная расчетная тепловая схема с
конденсационной турбиной (Т1, Т2) с промотбором.
Рис. 2 – Принципиальная расчетная тепловая схема с
противодавленческой турбиной (Т1) и гидропаровыми турбинами (Т2, Т3).
241
Расчет турбин производится в следующем порядке:
- рассчитываются параметры насыщения пара и воды по температуре
( ) s,i,s,i,ptf s ′′′′′′= ,
где sp - абсолютное давление насыщения, Па; i,i ′′′ - удельная энтальпия
кипящей воды и насыщенного пара, соответственно, кДж/кг; s,s ′′′ - - удельная
энтропия кипящей воды и насыщенного пара, соответственно, кДж/(кг⋅К). В
конце изоэнтропного расширения в турбине определяется степень сухости и
энтальпия кипящей воды по формулам [1]
ss
ssx
′−′′
′−
= ,
( )iixii ′−′′⋅+′= , Дж/кг,
Для паровых турбин внутренняя мощность определяется как [2]
( ) ( ) ад
ТTTiT iimiimN η⋅−⋅=−⋅= ′2121 , Вт,
где Tm - расход пара через турбину, кг/с; 1i , 2i - энтальпия пара на входе и
выходе из турбины, Дж/кг; ад
Тη - адиабатный (изоэнтропный) КПД турбины.
Для турбины с промежуточным отбором пара (рис. 1) внутренняя мощность
определяется так
( ) ( )3231 iimiimN пi −−−= , Вт,
следовательно, расход пара на турбину от котельного агрегата определится
как:
31
32
31 ii
ii
m
ii
N
m п
i
−
−
+
−
= , кг/с,
где пm - расход пара в промежуточном отборе, кг/с; 1i , 2i , 3i - энтальпия па-
ра соответственно на входе в турбину в промежуточном отборе и на выходе,
Дж/кг. Расчет внутренней мощности гидропаровых турбин выполняется по ме-
тодике, представленной в работе [3].
Удельная работа насосов, затраченная на повышение давления и перемеще-
ние жидкости
( )
ад
н
н
pp
iil
η
ν 121
12
−⋅
=−= , Дж/кг,
242
где 1i , 2i - энтальпия жидкости на входе и выходе насоса, Дж/кг; 1ν - удель-
ный объем жидкости (жидкость считается несжимаемой, т.е. 2ν = 1ν ), м3/кг; 1p ,
2p - давление на входе и выходе насоса, Па; ад
нη - адиабатный (изоэнтропный)
КПД насоса.
Мощность потребляемая электродвигателем насоса, равна
эдмн
нн
эн
lm
N
ηη ⋅
⋅
= , Вт,
где нm - массовая подача на насос, кг/с; мнη - механический КПД насоса;
эдη - КПД электродвигателя.
Теплообменные аппараты, в которых греющей средой является перегретый
или насыщенный пар, а нагреваемой вода, описываются уравнением теплового
баланса
( ) ( )wwwwтаггг ttcmiim ′−′′⋅⋅=⋅′′−′⋅ η ,
где гm - расход греющего пара, кг/с; гi′ , гi ′′ - энтальпия пара на входе и выхо-
де из аппарата, Дж/кг; wm - расход нагреваемой воды, кг/с; wc - удельная теп-
лоемкость воды; wt′ , wt ′′ - начальная и конечная температура воды, 0С; таη -
КПД теплообменного аппарата.
Во всех случаях принимается, что греющая среда на выходе из теплообмен-
ных аппаратов представляет собой конденсат с температурой, равной темпера-
туре насыщения при давлении греющего пара в аппарате. Система регенера-
тивного подогрева питательной воды включает в себя деаэраторы, а сами де-
аэраторы являются узлами смешения потоков воды и пара. Уравнение теплово-
го баланса этих аппаратов может быть записано в виде [4]:
0=⋅∑+⋅⋅ jjдагг imim η ,
где гm , гi - расход и энтальпия греющего пара, кг/с и Дж/кг соответственно;
даη - КПД деаэратора, учитывающий потери тепла в окружающую среду; jm , ji
- расход и энтальпия потоков жидкости и пара, поступающих или уходящих из
деаэратора по j-тым ветвям, кг/с и Дж/кг соответственно.
Расчет теплового режима заключался в определении распределения расхо-
дов воды и пара в ветвях схемы и на его основе – других показателей [5]. Рас-
ходы находились в результате совместного решения системы уравнений мате-
риального и энергетического баланса элементов энергокомплекса и узлов сме-
шения и разделения потоков. Коэффициенты разделение потоков пара α и β оп-
ределялись по формулам:
- для варианта 1 с конденсационной турбиной (рис. 1)
243
( ) ( )
( )
1012
54
106
1013
ii
iim
iiQ
ii ТО
−
−⋅
−
−−
=α ,
( ) ( )541 iim
QТО
−⋅⋅−
=
α
β ;
- для варианта 2 с противодавленческой турбиной (рис. 2)
( ) ( )
( )
( ) mii
ii
iiQ
mii ТО
⋅−
−
−
−⋅−
=
1215
1716
1215
2019
α ,
( )1716 iim
QТО
−⋅⋅
=
α
β ,
где ni - энтальпия, соответствующего узла схемы (рис. 1, 2), Дж/кг; ТОQ -
тепловая нагрузка, Вт; m – расход пара.
В качестве исходных расчетных данных рассмотрим серийно выпускаемое
тепломеханическое оборудование: турбины Калужского турбинного завода и
котлы завода «Сибэнергомаш», параметры которых приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Основное теплотехническое оборудование
Показатели Котлы
паровые
Турбины
противодавленчески
е
Турбины
конденсационны
е
Наименование Е-90-3,9-440
КТ Р-12-3,4/0,5-1 К-6-3,4Т
Паропроизводительность
(котел) расход пара
(турбины), т/ч
90 111,24 25,4
Количество, шт 3 2 9
Общая
паропроизводительность
(котел) расход пара
(турбины), кг/с
75 61,8 63,5
Давление пара, МПа 3,9 3,5 3,5
за турбиной - 0,5 0,01
Температура, 0С 440 440 440
за турбиной - 221 46
Величина теплового потребления принималась равной 0 МВт (летняя на-
грузка) и 25 МВт (зимняя нагрузка). Причем если в варианте с противодавлен-
ческой турбиной тепловая нагрузка закрывается за турбинами, то в варианте с
конденсационной турбиной данная нагрузка закрывается из промотбора с регу-
244
лируемыми данными: по давлению 0,5 МПа и температурой 221 0С. Температу-
ра на выходе из теплообменника после тепловой нагрузки была принятой рав-
ной 75 0С. Температура на входе в конденсатор принималась равной 46 0С.
Температура сетевой воды на входе в котел подогревается паром, отобранным
после противодавленческой турбины, до 150 0С.
Рассмотрим два варианта реализации шахтного энергокомплекса на базе па-
ротурбинной когенерации при условии равенства расходов энергетического уг-
ля в паровых котлах:
- конденсационный вариант, при котором энергокомплекс вырабатывает
электрическую энергию на 9 конденсационных турбинах, а тепловые нагрузки
закрываются из промотбора турбин;
- противодавленческий вариант, при котором электрическая энергия выра-
батывается двумя противодавленческими турбинами и 28 гидропаровыми тур-
бинами, устанавливаемыми после противодавленческих турбин, причем тепло-
вые нагрузки в этом варианте закрываются «на хвосте» противодавленческих
турбин.
В табл. 2 приведены результаты расчетов, а именно сравнительные данные
по тепловым и электрическим нагрузкам для дух вариантов реализации шахт-
ного энергокомплекса в зависимости от тепловой нагрузки (зима/лето), а также
их экономические показатели.
Таблица 2 – Энергетические и экономические показатели работы схем с
противодавленческой и конденсационной турбинами
Показатели Вариант 1
(конденсационная)
Вариант 2
(противодавленческая)
1 2 3 4 5
Теплова нагрузка, МВт 0 25 0 25
Электрическая мощность, МВт 54,32 49,46 25,62 25,62
Дополнительная электрическая
мощность, вырабатываемая ГПТ - - 19,1 15,7
Тарифы:
На электроэнергию, грн/кВт⋅ч 0,665
На тепло, грн/Гкал 712,88
Себестоимость
На электроэнергию, грн/кВт⋅ч 0,268
На тепло, грн/Гкал 153,48
Объем вырабатываемой электроэнергии,
млн. кВт⋅ч
434,5
6
303,1
2 357,76 267,76
Объем вырабатываемого тепла, тыс.
Гкал - 86,0 - 86,0
245
Продолжение табл. 1-
1 2 3 4 5
Прибыль по электроэнергии, млн. долл.
США 21,6 15,0 17,8 13,3
Прибыль по теплу, млн. долл. США - 6,0 - 6,0
Суммарная прибыль, млн. долл. США 21,6 21,0 17,8 19,3
Капитальные затраты, млн. долл. США 75 55
Срок окупаемости, лет 3,47 3,56 3,09 2,85
Как видно из табл. 2, при одинаковом расходе топлива на паровой котел и
равенстве тепловой нагрузки для двух вариантов, конденсационные турбины
вырабатывают электроэнергии на 20 % и 10 % больше чем во втором варианте
как без учета, так и с учетом тепловой нагрузки, соответственно. Следователь-
но, прибыль в первом варианте больше в 1,2 раза без учета и в 1,08 раза с уче-
том тепловой нагрузки. Однако, следует отметить, что противодавленческие
турбины значительно дешевле конденсационных, как и гидропаровые, что при-
водит к уменьшению капитальных затрат в 1,4 раза, а, соответственно, и к
уменьшению срока окупаемости. Так без учета тепловой нагрузки срок окупае-
мости во втором варианте уменьшается на 12 % и составляет 3,09 года, а при
тепловой нагрузке - на 20 % и составляет 2,85 года.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вулканович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного
пара. – М.: Изд-во стандартов, 1969. – 408 с.
2. Чемерис И.Ф., Оксень Ю.И., Слободянникова И.Л. Метод идентификации характеристик паровых тур-
бин шахтных энергетических комплексов // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / Ин-т геотехни-
ческой механики им. Н. С. Полякова НАН Украины. – Д., 2001. – Вып. 33. – С. 191-201.
3. Булат А.Ф., Чемерис И.Ф., Комлева И.Ю. Усовершенствованная гидропаровая турбина для утилизации
избыточного тепла шахтных энергетических объектов // Компрессорное и энергетическое машиностроение. –
Сумы, 2010. − №2(20). – С. 25-28.
4. Чемерис И.Ф., Оксень Ю.И. Анализ тепловых схем шахтных энергокомплексов пи работе с переменны-
ми нагрузками // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / Ин-т геотехнической механики им. Н. С.
Полякова НАН Украины. – Д., 2002. – Вып. 36. – С. 156-162.
5. Рыжкин В.Я. Тепловые электирические станции. – М.: Энергия, 1976. – 447 с.
246
УДК 622.831.3.001.5 Д-р техн.наук Л.М. Васильев.,
канд.техн.наук Д.Л. Васильев,
инж. Ю.М. Ус
(ИГТМ НАН Украины)
МЕТОД РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОБРАЗЦОВ
ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОБЪЁМНОМ СЖАТИИ
Метод розрахунку заснований на критерії міцності матеріалів Кулона і теорії граничного
стану з урахуванням зовнішнього і внутрішнього тертя. Одержана задовільна збіжність роз-
рахункових результатів з експериментальними даними.
THE METHOD OF CALCULATION OF LIMITING STATE AT
VOLUMETRIC COMPRESSION SAMPLES OF ROCKS
The calculation method is based on Cоulomb’s criterion of durability of materials and the theory
of lines of sliding taking into account an external and internal friction. Satisfactory convergence of
settlement results with experimental data is received.
В работе [1] разработан метод расчета предельного состояния при сжатии
образцов горных пород с линейной связью между контактными касательными
τк и нормальными напряжениями σу согласно закону Кулона-Амонтона
yê fστ = , (1)
где f- коэффициент внешнего (контактного) трения.
При использовании этого закона возникают непреодолимые трудности точ-
ного интегрирования двух известных дифференциальных уравнений совместно
с алгебраическим уравнением равновесия. Разработанные методы расчета пре-
дельного состояния материала, основанные на этом принципе, не позволяют
определять напряжения внутри материала [2].
Решение имеет место только в частном случае, когда поперечные напряже-
ния σx равны продольным нормальным напряжениям σу и dσу = dσx, что и было
использовано в работе [1].
В работах [3, 4] нами ранее была предпринята попытка использовать другой,
более обоснованный подход к определению связи между напряжениями. В ос-
нову расчета распределения нормальных напряжений был положен метод
Прандтля, разработанный для широкой полосы. Доказано, что точное решение
задачи с использованием двух дифференциальных и одного алгебраического
уравнения равновесия обеспечивается при постоянном значении контактного
касательного напряжения τху. В литературе [2] принято, что касательное напря-
жение изменяется вдоль действия нормального сжимающего напряжения по за-
висимости
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −⋅=
h
Y
êxy
21ττ . (2)
Принято считать [2], что при этом подходе достоверность обеспечивается
вдали от боковых обнаженных граней, так как в граничные условия заложено
|