WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Другой важно характеристикой топливных элементов является степень использования топлива ( f). Со снижением степени использования топлива в ТЭ условия электрохимических процессов улучшаются, и среднее напряжение ТЭ растет вместе с нетто, % Электрический КПД ГибЭС Доли мощностей ЭХГ и ГТУ удельной мощностью. По результатам расчета построены графики зависимости электрического КПД ГибЭС от степени сжатия в компрессоре и степени использования топлив в ТЭ (рис. 5).

64 50% 60% 70% 80% 54 90% 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,Степень сжатия в компрессоре 1,0,ГТУ 0,ЭХГ 0,0,0,50 60 70 80 Степень использования топлива в ТЭ, % Рис. 5. Графики изменения электрического КПД нетто ГибЭС, оптимального степени сжатия воздуха в компрессоре и распределения долей мощностей ЭХГ и ГТУ от степени использования топлива в ТЭ.

По графику видно, что 10% рост использования топлива приводит к более чем 2%му росту электрического КПД ГибЭС, при чем этот прирост практически не зависит от исчисляемого уровня использования топлива в ТЭ.

нетто, % Электрический КПД ГибЭС ГТУ Доли мощностей ЭХГ и Учитывая, что снижение f приводит к увеличению располагаемого тепла перед ГТУ, за счет дожигания непрореагировавшего топлива, то оптимальное значение степени сжатия в компрессоре также будет возрастать. По результатам расчетов изменение f в диапазоне от 50 до 90% приводит к изменению оптимального значения степени сжатия в компрессоре от 2,8 до 4,3, электрического КПД с 55,2 до 65%, а доли мощности ГТУ от 36 до 15%.

Процентное изменение КПД ГТУ, компрессора и степени регенерации имеют близкий оказываемый эффект на электрический КПД ГибЭС (рис. 6,7).

75% 80% 85% 90% 95% 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,Степень сжатия в компрессоре 75% 80% 85% 90% 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,Степень сжатия в компрессоре Рис. 6. Графики изменения электрического КПД нетто ГибЭС и оптимального степени сжатия воздуха в компрессоре ГТУ в зависимости от КПД компрессора (нижний) и турбины (верхний).

нетто, % Электрический КПД ГибЭС нетто, % Электрический КПД ГибЭС 0,0,0,0,0,1,40 1,90 2,40 2,90 3,40 3,90 4,40 4,Степень сжатия в компрессоре Рис. 7. Графики изменения электрического КПД нетто ГибЭС и оптимального степени сжатия воздуха в компрессоре ГТУ в зависимости от степени регенерации.

Так увеличение какого-либо из этих параметров на 1% приводит к увеличению КПД ГибЭС на 0,2%. При этом степень регенерации влияет чуть больше, потом КПД турбины и меньше всего КПД компрессора. Однако на оптимальное значение степени сжатия они влияют по-разному. Рост КПД турбины увеличивает оптимум, КПД компрессора практически не влияет, а степень регенерации снижает оптимум.

На рис. 8 изображен график зависимости электрического КПД ГибЭС от температуры наружного воздуха (tнв), полученный по результатам расчетов.

Из графика видно, что с падением температуры окружающей среды электрический КПД ГибЭС растет. Например, изменение температуры воздуха с +15 до -15 оС ведет к росту КПД ГибЭС на 1%. Низкая температура дает сжимать воздух до одного и того же давления при меньших затратах энергии. К тому же снижение температуры рабочей среды перед компрессором снижает температуру конца компрессора. Более холодный сжатый воздух глубже охлаждает уходящие газы в рекуператоре, что приводит в конечном результате к росту тепловой экономичности всей установки.

Электрический КПД ГибЭС нетто, % 66,65,65,64,64,63,63,-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Температура наружного воздуха, оС Рис. 8. Зависимость электрического КПД нетто от температуры наружного воздуха.

В четвертой главе на основе анализов и расчетов, проведенных в предыдущих главах, сделаны рекомендации по выбору ГТУ для работы в составе ГибЭС. На основе этих рекомендаций сделан анализ рынка представленных на сегодняшний день газотурбинных установок мощностью до 5 МВт на предмет возможности использования их в схемах ГибЭС. Среди рассмотренных ГТУ выбрана наиболее подходящая по характеристикам установка типа Capstone 1000C мощностью 1 МВт.

В работе было проведено расчетное исследование режимов ГибЭС с применением существующего оборудования. Исследуемая установка состояла из электрохимического генератора определенной конструкции и набора блоков топливных элементов. В модели использована ГТУ типа Capstone 1000C. Для этой ГТУ по данным производителя были построены характеристики компрессора и турбины. Учитывая текущие технологические трудности работы ТЭ с большими температурными колебаниями, изменение нагрузки ЭХГ было принято не более 15% от максимального значения, а большие отклонения мощности проводились за счет регулирования нагрузки ГТУ. В итоге, нагрузка всей ГибЭС изменялась в диапазоне от 70 до 100%.

Полученный график зависимости электрического КПД ГибЭС представлен на рис.

9. От 70 до 88% нагрузка менялась за счет изменения одновременно мощности ЭХГ и нетто, % Электрический КПД ГиБЭС ГТУ (увеличения подачи воздуха через компрессор и топлива в ЭХГ). Дальнейший рост нагрузки до 100% осуществлялся за счет подвода дополнительного топлива в камеру сгорания ГТУ с увеличением расхода воздуха через компрессор и открытием байпаса ЭХГ (см. рис. 2). Увеличение мощности за счет ЭХГ ведет к плавному изменению КПД ГибЭС (70-88%) примерно на 2 % (повышение), а рост мощности за счет ГТУ (88-100%) снижает КПД на 5%. В результате можно заключить, что нагрузку 88% для данной установки можно принять номинальной как самой эффективной. Таким образом, выбор номинального режима может значительно влиять на эффективность работы ГибЭС.

62,62,61,61,60,60,59,59,58,58,57,57,65 70 75 80 85 90 95 Относительная мощность ГибЭС, % Рис. 9. Электрического КПД нетто от нагрузки ГибЭС.

В пятой главе проведена оценка экономической эффективности строительства ГибЭС на основе технически осуществимого на сегодняшний день оборудования и актуальных финансово-экономических условиях. Для этого проведена оценка стоимости строительства и эксплуатационных затрат в течение срока службы ГибЭС. С учетом текущих цен на топливные элементы и исследований проведенный рядом иностранных компаний, удельная стоимость установки принята 2500 $/кВт. Основные техникоэкономические параметры ГибЭС были взяты по энергоблоку, рассмотренному в главе 4 (табл. 1).

нетто, % Электрический КПД ГибЭС Расчеты выполнены в прогнозных ценах (с учетом инфляции) по «Сценарным условиям развития электроэнергетики Российской Федерации на 2009-2020 годы».

Ставка дисконтирования принята на уровне 13%. Налоговое окружение соответствует четвертому кварталу 2008 г. В этих условия были определены основные интегральные показатели эффективности инвестиций.

Таблица Основные технико-экономические показатели ГибЭС Значение Основные параметры показателя Электрическая мощность установки, кВт 2хЧисло часов использования ном. мощности, ч Замена батарей топливных элементов, ч Годовой отпуск электроэнергии, тыс. кВт*ч Удельный расход условного топлива, г.у.т./кВт*ч Годовой расход топлива, тыс. м3/год Анализ полученных результатов указывает, что ГибЭС могут быть экономически эффективными и конкурентоспособными с другими технологиями производства электроэнергии.

По проведенному анализу чувствительности можно сделать вывод, что ГибЭС могут быть коммерчески эффективными при удельной стоимости до 3500 $/кВт (рис.10).

Таким образом, высокая стоимость оборудования перекрывается за счет высоких показателей энергетической эффективности.

1000 1500 2000 2500 3000 3500 Удельная стоимость ГибЭС $/кВт Рис. 10. График изменения удельной стоимости ГибЭС.

Дисконтированный срок окупаемости, мес.

ВЫВОДЫ 1. Внесены дополнения в методические основы и алгоритмы расчёта тепловой схемы ГибЭС. Получены необходимые для расчетов формулы определения показателей работы ЭХГ и ГТУ. Определен алгоритм расчета тепловой схемы и показателей тепловой экономичности. На основе методик и алгоритмов создана компьютерная модель для расчета тепловых схем гибридных электростанций, позволяющий проводить комплексною оптимизацию структуры и параметров тепловой схемы ГибЭС.

2. В результате анализа различных возможных тепловых схем ГибЭС выделены четыре варианта данных схем. С помощью разработанной методики расчета ГибЭС было проведено сравнение этих схем ГибЭС и выбрана схема обладающая лучшим соотношением КПД и конструктивной реализуемостью.

3. Выбраны и обоснованы условия и критерий оптимизации. Была разработана методика оптимизации, и на ее основание расчетным путем было получено оптимальное значение степени сжатия в компрессоре ГТУ в схемах ГибЭС.

4. Выявлена степень и характер влияния отдельных параметров схемы ГибЭС (плотность тока ТЭ, степень использования топлива в ТЭ, КПД компрессора и турбины, степень регенерации и температура наружного воздуха) на выбор оптимальной степени сжатия в компрессоре ГТУ. Установлено, что ключевыми показателями, наиболее сильно влияющими на тепловую экономичность ГибЭС являются плотность тока и степень использования топлива в ТЭ. При этом для большинства условий оптимальное значение степени сжатия в компрессоре будет находиться в интервале 2,5-4,5.

5. Сделаны рекомендации по выбору ГТУ в составе ГибЭС. Сформулированы основные их показатели и конструктивные особенности.

6. Сделан анализ существующих ГТУ на предмет возможности интеграции в схемы гибридных электростанций. Проведены исследования режимов работы ГибЭС на базе реальной ГТУ типа Capstone 1000C и определенного состава ЭХГ. Выявлено, что выбор номинального режима работы ГибЭС значительно влияет на тепловую экономичность установки в режимах отличного от номинального.

7. С учетом полученных в работе оптимизационных технических решений проведена оценка экономической эффективности гибридных электростанций. Установлено, что ГибЭС при удельной стоимости в 2500 $/кВт могут быть экономически эффективными и конкурентоспособными с другими технологиями производства электроэнергии.

8. Проведен анализ чувствительности экономической эффективности ГибЭС к различным факторам. В результате получено, что применение ГибЭС может быть экономически оправдано при удельной стоимости строительства не превышающей 3500 $/кВт.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Тепловые схемы гибридных электростанций и методика их расчета / Буров В.Д., Захаренков Е.А. // Вестник МЭИ. -2009. -№2. -С. 20-27.

2. Гибридные установки на основе топливных элементов и ГТУ: схемы и их показатели / Буров В.Д., Захаренков Е.А. // XII международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника технической конференции студентов и аспирантов»: Тез. докл.: – Москва. 2006. – Т. 3. – C. 187-188.

3. Электроэнергия с максимальной эффективностью: гибридные электростанции / Буров В.Д., Захаренков Е.А. //Сборник трудов 3-й международной школысеминара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика». Москва. 2006. С. 75-77.

4. Высокоэффективные гибридные энергоустановки на основе топливных элементов / Буров В.Д., Захаренков Е.А. // Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XII Бернардосовские чтения)»: Тез. докл.: Иваново, 2005. – Т. 1. – C. 126.

5. Эффективная малая энергетика: топливные элементы / Захаренков Е.А., Буров В.Д. //Турбины и дизели. Июль-август. Рыбинск. 2006. - С. 40-43.

6. Особенности выбора параметров гибридных электростанций / Буров В.Д., Захаренков Е.А. // XIII международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника технической конференции студентов и аспирантов»: Тез. докл.: – Москва. 2007. – Т. 3. – C. 155-156.

7. Расчет тепловых схем гибридных установок / Буров В.Д., Захаренков Е.А. // Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XIV Бернардосовские чтения)»: Тез. докл.: Иваново, 2007. – Т. 1. – C. 162.

8. Расчет тепловых схем гибридных электростанций на основе топливных элементов и тепловых двигателей / Буров В.Д., Захаренков Е.А. // Труды II международного симпозиума по водородной энергетике. Москва. 2007. С. 239-241.

9. Определение оптимальных параметров ГТУ в составе гибридных электростанций / Буров В.Д., Захаренков Е.А. // XV международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника технической конференции студентов и аспирантов»: Тез. докл.: – Москва. 2009. – Т. 3. – C. 192-193.

Подписано к печати Л - Печ. л. Тираж Заказ Типография МЭИ (ТУ), Красноказарменная, 13.

Pages:     | 1 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»