Применение тепловых аккумуляторов большой мощности в циклах теплофикационных установок ТЭС

Введение.

Эффективная и гибкая работа электростанции имеет решающее значение в работе безопасной системы электропитания. Электростанции играют главную роль в процессе регулирования частоты сетки, пассивно реагируя на изменения нагрузки и сохраняя постоянный баланс между нагрузкой и генерацией. Большинство электростанций были разработаны для работы в качестве блоков базовой нагрузки с ограниченной нагрузкой или полной нагрузкой. Увеличение доли возобновляемых источников энергии (главным образом ветровых и солнечных) и ее естественная перепутанность оказывают большое влияние на обычные режимы эксплуатации электростанций. Ожидается, что энергоблоки будут быстрее реагировать на изменения нагрузки (более высокие темпы нарастания и понижения скорости), работать с более низкими коэффициентами нагрузки (менее эффективными), или они вынуждены переключаться с режима работы (на ночь или на выходные). Текущая энергетическая система выработала новые эксплуатационные требования для обычных установок: частотная поддержка, операции с нагрузкой, двухсменные операции, операции на островах, возможность черного запуска и очень высокая надежность запуска и эксплуатации. Все эти факторы влияют на износ компонентов установки, значительно увеличивают затраты на техническое обслуживание и отрицательно влияют на срок службы компонентов установки.

Для снижения начальных затрат на сооружение системы теплоснабжения и упрощения эксплуатации применяют различные методы выравнивания резкопеременной тепловой нагрузки абонентов путем аккумулирования теплоты.

Аккумулятором тепла называется устройство (или совокупность устройств), обеспечивающее обратимые процессы накопления, хранения и выработки тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя. Процессы аккумулирования тепла происходят путем изменения физических параметров теплоаккумулирующего материала и за счет использования энергии связи атомов и молекул веществ.

Задачей исследования является оценка возможности работы теплового аккумулятора в цикле теплофикационных установок, а так же определение наиболее эффективных теплоаккумулирующих материалов.

Методы исследования.

Идея, предложенная в одной иностранной статье, заключается в извлечении высокотемпературного пара из пароводяной петли силовой установки электростанции 600 МВт, которая будет передавать тепло в тепловое хранилище в непиковый период. Таким образом, выход электрической мощности может регулироваться посредством регулирования выхода тепловой энергии для выработки электроэнергии при сохранении постоянной тепловой энергии котла. Цель их исследования была: где тепловой аккмулятор может быть интегрирован в цикл электростанции и сколько тепловой энергии можно извлечь, не жертвуя эксплуатационными характеристиками установки. Извлечение пара из впуска ЧВД не является эффективным способом для хранения тепла из-за его высокого качества энергии. Поэтому исследовались три стратегии извлечения тепла (зарядка теплового хранилища) и определены два подходящих места извлечения тепловой энергии, которые являются входами ЧСД (промежуточное давление турбины) и ЧНД (с низким давлением турбины). Для установки, используемой для этого исследования, установливалось, что температура пара на входе ЧСД и входе ЧНД составляет около 565 Т и 355 Т при давлениях около 3,8 МПа и 0,9 МПа, соответственно.

Во время периода спроса на электроэнергию накопленная тепловая энергия будет сброшена обратно в контур водяного пара, чтобы увеличить общую выработку электроэнергии. Были изучены две стратегии: первая -использовать аккумулированное тепло для производства пара высокой температуры и высокого давления для паровой турбины, учитывая, что температура генерируемого пара ниже входа ЧСД, поэтому его необходимо подавать в вход ЧНД; другой - использовать аккумулированное тепло для предварительного нагрева питательной воды вместо использования оригинального подогревателя.

Были исследованы три стратегии зарядки теплового аккумулятора и две стратегии разрядки. Результаты были проанализированы с точки зрения баланса энергии и эксергии. Из этого исследования видно, что:

— тепловой аккумулятор возможно интегрировать в паровой и водяной контуры электростанции, чтобы регулировать выпуск тепловой энергии в процесс выработки электроэнергии.

— в процессе зарядки теплового аккумулятора количество экстракции пара должно быть ограничено допустимым диапазоном для поддержания стабильной выходной мощности. Для первого варианта зарядки максимальный расход пара из впуска ЧСД составил 80 кг/с, а относительное снижение выходной мощности - 13,3%. Для второго варианта зарядки максимальный расход потока из впуска ЧНД составил 56 кг/с, а относительное снижение выходной мощности - 6,5%. Для третьего варианта зарядки максимальный расход пара из впуска ЧСД составил 174 кг/с, а относительное уменьшение выходной мощности составила 3,9%.

— для первого варианта разрядки аккумулятора максимальный массовый расход генерируемого пара составил 72,6 кг/с, а общая мощность составила 644,4 МВт. Для второго варианта разрядки максимальная выходная мощность составила 634 МВт.

— благодаря интеграции, электростанция демонстрирует быстрые динамические реакции на изменения спроса на нагрузку.

Концепция использования теплового аккумулятора в ПГУ заключается в использовании крупномасштабной системы хранения энергии и извлечении части сжатого воздуха из выпускного отверстия компрессора и подачи его в тепловое хранилище в процессе зарядки и для хранения при низкой нагрузке. Когда потребность в нагрузке высока, воздух может быть выпущен, и при процессе разрядки хранилища может генерироваться дополнительная мощность. В течение 24 часов завод должен работать в трех разных режимах:

• 1.    Режим зарядки аккумулятора - в этом режиме компрессор действует как первый этап работы компрессора. Воздух попадает в хранилище после компрессора и доохладителя. Этот режим доступен в течение 8 часов с момента его поступления в полностью заряженное хранилище.

• 2.    Режим хранения сжатого подогретого воздуха - в этом режиме хранение поддерживается на постоянном уровне (пустой, частично заряженный или полностью заряженный), и установка может работать как обычная установка ПГУ. Этот режим доступен в течение 14 часов.

• 3.    Режим разгрузки аккумулятора - в качестве запасной части для хранения могут работать независимо от ПГУ, а дополнительная мощность генерируется воздухом, расширенным из хранилища. Воздух подается в предварительные подогреватели воздуха. Доступно в течение 2 часов.

Технико-экономическое обоснование интеграции аккумулятора тепла и ПГУ в одну гибридную силовую установку, подтверждает жизнеспособность концепции. Ожидается, что энергоблоки будут быстрее реагировать на изменения нагрузки (более высокие темпы нарастания и понижения скорости), работать с более низкими коэффициентами нагрузки (менее эффективными), или они вынуждены переключаться с режима работы (на ночь или на выходные). Текущая энергетическая система выработала новые эксплуатационные требования для обычных установок: частотная поддержка, операции с нагрузкой, двухсменные операции, операции на островах, возможность черного запуска и очень высокая надежность запуска и эксплуатации. Все эти факторы влияют на износ компонентов установки, значительно увеличивают затраты на техническое обслуживание и отрицательно влияют на срок службы компонентов установки. Однако, все эти факторы можно исправить, внедряя предложенные мероприятия.

Современные технологии регулировки тепловой энергии, в скором времени, могут иметь возможность отправлять тепловую мощность в соответствии с периодами пиковой нагрузки за счет использования хранилища тепловой энергии. Кроме того, тепловой накопитель может снизить уровень затрат на энергию для теплофикационных установок. Чтобы достичь этого, для технологий хранения энергии требуются эффективные материалы с высокой плотностью энергии. Для хранения тепловой энергии широко используются чувствительные и скрытые материалы для хранения тепла. Скрытые тепловые системы, использующие материал с изменением фазы, полезны из-за их способности заряжать и разряжать большое количество тепла из небольшой массы при постоянной температуре во время фазового превращения, такого как затвердевание плавлением. Технология изменения фазы основана на энергии поглощение/освобождение скрытой теплоты во время физического преобразования. В отличие от парожидкостных превращений твердые жидкие превращения производят большие изменения энтальпии без больших изменений плотности, и благодаря этому соли и металлические сплавы являются хорошими кандидатами. В идеальном случае эти материалы должны обладать определенной температурой плавления и высокой теплотой плавления и обеспечивать благоприятные характеристики, такие как высокие рабочие температуры (более 500 ° C), низкое давление пара, хорошие термические и физические свойства, низкая коррозионная активность и токсичность и, конечно же, бюджетный.

Оптимальная температура на входе и выходе оборудования для хранения энергии определяется температурой плавления, а теплоемкость системы хранения тепловой энергии определяется латентными и чувствительными нагревами материалов фазового перехода.

В результате анализа материалов с изменением фазы, были собраны возможные варианты использования в качестве аккумулирующего материала. Так как количество материалов и их композиции достаточно велико, в данной статье, таблица 1, представлена лишь малая часть материалов (по 2 с каждой системы), где Тпл – температура плавления материала в оС, Ср – теплоемкость материала в твердом и в жидком фазовом состоянии Дж/г·оС, а так же скрытая теплота плавления Q в Дж/г.

Таблица 1 Наиболее подходящие системы (материалы) для высокотемпературного хранения тепла.

Состав материала			Процентное соотношение, %			о пл,	С р , Дж/г·оС		Q, Дж/г
A	B	C	A	B	C		твёрдого	жидкого
NaNO 3			100,00			306	1,859	1,830	178,56
KNO 3			100,00			335	1,439	1,480	100,19
KNO 3	KCl		92,82	7,18		307,87	1,156	1,177	105,63
KNO 3	K 2 CO 3		65,31	34,69		325,73	0,812	0,832	71,58
NaOH	NaCl	Na 2 CO 3	59,65	24,68	15,67	320,39	1,649	1,835	175,17
MgCl 2	KCl	NaCl	42,05	39,07	18,88	331,31	0,857	1,031	198,45

В ходе научно-исследовательской работы, был произведен расчет теплового аккумулятора на разряд, так как именно разряд – одна из главных показателей работы аккумулятора. В качестве теплоаккумулирующих материалов использовались три разных композиций солей: 1) KCl(54)-ZnCl 2 (46); 2) KNO 3 ; 3) LiCl(37)-LiOH(63) (в скобках указано процентное соотношение компонентов).

Расчет разряда фазопереходного теплового накопителя «твердое тело – жидкость» на обеспечение расхода тепловой энергии на теплофикацию района в размере 36,5 МДж в течение 15 часов. Главная цель расчета – определение расхода теплоносителя через аккумулятор, который обеспечивал бы разряд.

Результаты исследований и выводы.

На рисунке 1 видно, что к каждому теплоаккумулирующему материалу свойственно свое значение расхода теплоносителя, с целью передать тепло. Для KCl(54)-ZnCl 2 (46) значение расхода составляет около 4,2·10^-3 кг/с, для KNO 3 величина расхода составило 1,5·10^-3 кг/с, а для LiCl(37)-LiOH(63) – 2,1·10^-3 кг/с.

-3

5 x 10 ³|--------------------------------- m1(F)  4 x 10 -³---------------------------

.m^F) 3 x 10 - ³ m3(F) 2 x 10 ³----

-3

1 x 10 ³¹-------------------------------------- 2     4     6     8     10

F

Рисунок 1 График зависимости расхода теплоносителя в канале теплового аккумулятора от площади границы фазового перехода F

При выборе аккумулирующего материала в ту или иную систему, необходимо предварительно сделать такой расчет, для наглядной оценки, сможет ли расход теплоносителя удовлетворить потребность аккумулирующего материала.