1.1 Antecedentes del tema
China es un importante productor y consumidor de energía, y su rápido desarrollo económico ha llevado a un rápido crecimiento de la demanda de energía [1]. Según el "Boletín Estadístico del Desarrollo Económico y Social Nacional de la República Popular China en 2013" publicado por la Oficina Nacional de Estadísticas el 22 de febrero de 2014, el consumo total de energía de China en 2013 fue de 3.750 millones de toneladas de carbón estándar, un incremento del 3,7% respecto al año anterior. El consumo de carbón aumentó un 3,7%; el consumo de petróleo crudo aumentó un 3,4%; el consumo de gas natural aumentó un 13,0%; Esto muestra que China se ha convertido en el mayor consumidor primario de energía de carbón del mundo y el segundo mayor consumidor de energía del mundo. Por lo tanto, el uso racional de la energía, la conservación de la energía y la reducción de emisiones se han convertido en uno de los principios estratégicos de China para el desarrollo sostenible [2].
Una de las razones de la baja eficiencia integral de las centrales térmicas actuales es que después de que el vapor de escape de la unidad se descarga en el condensador, el agua circulante extrae su calor y luego lo descarga en la atmósfera a través de la torre de enfriamiento o hacia el río con el agua en circulación, se desperdicia una gran cantidad de calor residual de baja temperatura, lo que resulta en pérdidas muy grandes de la fuente de frío [3]. alrededor del 55-60% de la pérdida total [4]. La tasa de utilización de energía de China es de sólo 33, y existe un enorme espacio y potencial para el ahorro de energía [5]. La baja eficiencia en la utilización de la energía significa que el rápido desarrollo económico y social de China debe realizarse a expensas del consumo de una gran cantidad de energía primaria. Esto agrava aún más la ya grave situación energética petroquímica de China y no cumple con los requisitos de la estrategia de desarrollo sostenible. Además, el consumo de grandes cantidades de energía y su utilización ineficiente producirán inevitablemente enormes emisiones de calor y contaminación. Las emisiones de polvo, óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno agravarán la contaminación del aire, y la emisión de dióxido de carbono provocará el efecto invernadero. Según el "Duodécimo Plan Quinquenal" de mi país, se espera que la nueva capacidad de las unidades de energía térmica de carbón sea de 300 millones de kilovatios. La capacidad total instalada de generación de energía alcanzará los 65.438 millones de kilovatios en 2005, de los cuales la energía térmica. La capacidad instalada alcanzará los 933 millones de kilovatios. Entre estas unidades, la mayoría usa agua circulante para enfriar el vapor de escape, excepto en algunas áreas con escasez de agua en el norte que usan refrigeración por aire. En el proceso de aumento de la capacidad instalada de las centrales térmicas de carbón, las emisiones totales de carbono también aumentarán y las emisiones de contaminantes como el dióxido de azufre también aumentarán significativamente. Si el calor del agua en circulación se puede utilizar para mejorar la eficiencia de utilización integral de la energía, se ahorrará el uso de energía petroquímica y se logrará una situación beneficiosa para el medio ambiente, la economía y la energía [6].
Debido a que la temperatura del agua en circulación es generalmente relativamente baja (generalmente entre 20 y 35 °C en invierno), no puede cumplir con los requisitos de calefacción directa. Si desea utilizarlo para calentar, debe encontrar una manera de aumentar su temperatura de manera adecuada. Las turbinas de vapor de condensación pequeñas y medianas pueden aumentar la temperatura del agua en circulación (60-80 °C) reduciendo el vacío del cilindro de escape, es decir, calentando el agua en circulación en funcionamiento de bajo vacío. En teoría, esta tecnología puede lograr una alta eficiencia en la utilización de energía y existen muchos ejemplos de investigación y operación exitosa en el país y en el extranjero. La tecnología ya está muy madura, especialmente en algunas ciudades del norte del país. La unidad operativa tradicional de bajo vacío es similar a la unidad de contrapresión en una planta de energía térmica. La cantidad de vapor que pasa depende de la carga de calor del usuario, por lo que la generación de energía está restringida por la carga de calor del usuario y no se puede ajustar de forma independiente. Es decir, su funcionamiento también está determinado por la carga térmica', por lo que sólo es adecuado para sistemas de calefacción con carga térmica estable del usuario. Además, el funcionamiento con bajo vacío de la unidad requiere modificaciones correspondientes en la estructura de la unidad. Esta modificación sólo es adecuada para unidades pequeñas y algunas unidades de tamaño mediano, pero no está permitida en absoluto para unidades modernas de gran escala. En sistemas combinados de calor y energía a gran escala que utilizan turbinas de vapor de recalentamiento intermedio, una presión de condensación excesiva hará que la temperatura final del vapor de la unidad sea demasiado alta y el flujo volumétrico de vapor sea demasiado pequeño, provocando una fuerte vibración de la unidad y poniendo en peligro el funcionamiento. seguridad. Generalmente se requiere que la temperatura de entrada del agua de refrigeración en circulación para grandes unidades de turbina de vapor no exceda los 33°C (la temperatura de salida correspondiente es de aproximadamente 40°C). Si la temperatura de calefacción está dentro de este rango, no es necesario cambiar la estructura de la unidad y es adecuada para cualquier capacidad y tipo de unidad. Sin embargo, el único dispositivo de calefacción actualmente adecuado para este rango de temperatura es la calefacción radiante de suelo a baja temperatura, por lo que su rango de aplicación es muy limitado [7].
Otra forma de aumentar la temperatura del agua en circulación de la central eléctrica para calefacción es utilizar tecnología de bomba de calor, es decir, agua de refrigeración que circula en la central eléctrica.
La tecnología de bomba de calor se utiliza como fuente de calor de bajo nivel para extraer su calor y proporcionar calor a los usuarios.
En comparación con las fuentes de calor con bomba de calor de uso común, el agua en circulación de las centrales eléctricas tiene las ventajas de un calor enorme, temperatura moderada y estable, buena calidad del agua, seguridad y protección ambiental, etc. Es una fuente de calor con bomba de calor de alta calidad. El uso del agua en circulación de la planta de energía como fuente de calor de bajo nivel de la bomba de calor para el suministro de calor puede hacer coincidir de manera conveniente y flexible la calidad y cantidad del suministro de calor con las necesidades del usuario sin tener un gran impacto en el sistema térmico original de la energía. planta [8] . El calor residual del agua de refrigeración circulante recuperado por el dispositivo de bomba de calor se devuelve al sistema térmico para calentar el agua de condensación, lo que puede reducir el consumo de vapor de extracción del calentador de baja presión correspondiente, aumentando así la generación de energía de la planta de energía, reduciendo el consumo de carbón de la central eléctrica y mejorar la economía de funcionamiento de la central eléctrica. Por lo tanto, la bomba de calor con fuente de agua en circulación de la planta de energía es una forma ideal de recuperar el calor residual del agua en circulación de la planta de energía para calefacción.
1.2 Propósito e importancia de la investigación
Para utilizar una gran cantidad de agua de refrigeración circulante a baja temperatura con una temperatura aproximadamente 10 grados superior a la temperatura ambiente, el primer tipo de absorción Se seleccionó la bomba de calor para mejorar la integridad térmica del sistema. Analizar su mecanismo de circulación desde la perspectiva de Sobre esta base, se toma como ejemplo una unidad de 300MW para realizar cálculos térmicos y analizar su economía.
Utilizando la tecnología de bomba de calor, parte del proceso del sistema de enfriamiento se utiliza para hacer circular el agua de enfriamiento, extraer el calor residual del agua de enfriamiento, reducir la temperatura del agua de enfriamiento, realizar el reciclaje del calor residual y convertir la energía térmica residual en energía que pueda usarse de manera efectiva, ahorrando el consumo de energía de vapor en el proceso, al mismo tiempo que se logra la conservación de energía, la reducción de emisiones y la protección del medio ambiente, también crea beneficios económicos directos para la empresa [9].
2. Tendencias de investigación nacionales y extranjeras y tendencias de desarrollo en este campo de investigación.
2.1 Tendencias de investigación y tendencias de desarrollo en el extranjero
Europa, Estados Unidos y Japón tienen una larga historia de investigación sobre recuperación de calor residual. Desde la crisis energética de 1973, todos los países han concedido gran importancia a las cuestiones energéticas.
En 1976, B.C.L. (Battele Columber Labs) de Estados Unidos propuso el concepto e hizo previsiones de mercado, convencido de que la tecnología de utilizar bombas de calor de absorción para recuperar el calor residual tiene valor práctico [10]. En los suburbios de Filadelfia, Estados Unidos, el Centro Médico Crozer-Chester, con una superficie de 407 acres, tiene 25 edificios con sistemas de conversión de energía instalados. Parte del sistema utiliza una bomba de calor industrial para transferir el calor residual de las habitaciones con aire acondicionado del centro médico al agua caliente utilizada en la lavandería. Sólo esta instalación permitirá ahorrar más de 500.000 dólares en diez años [11]. Un centro de conmutación telefónica de Bell Telephone Company en Pensilvania, EE.UU., utiliza una bomba de calor para absorber el calor residual acumulado en el dispositivo de refrigeración del sistema de aire acondicionado de 270 toneladas, lo que permitirá ahorrar 270 millones de dólares al año durante el período de análisis. de 10 años [12]. Antes de 1981, la compañía japonesa Sanyo construyó más de 20 conjuntos de dispositivos AHT con una escala de 2000 a 5000 kw en Japón y otras partes del mundo, la mayoría de los cuales se utilizaron para recuperar el calor del vapor orgánico en la parte superior de la destilación. torre de empresas petroquímicas [13]. La instalación prefabricada funciona con éxito desde hace más de diez años. Utilizaron una bomba de calor de una sola etapa para recuperar el calor residual industrial y aumentar el agua de alimentación de la caldera de 93°C a 117°C, y la aplicaron con éxito en el campo industrial, con el número total de dispositivos de aplicación representando más de la mitad de el mundo [14].
En los últimos años, el desarrollo de las bombas de calor ha avanzado mucho. Vander Pal [15] y otros desarrollaron una unidad de bomba de calor híbrida de compresión/absorción para aumentar el calor residual industrial por debajo de 100 °C. Establecieron un modelo de cálculo de simulación de la bomba de calor híbrida y realizaron una verificación de mediciones reales. Los resultados muestran que cuando el compresor está ubicado entre el evaporador y el reactor de adsorción, su impacto en la eficiencia energética de la unidad es significativamente mayor que cuando el compresor está ubicado entre el reactor de adsorción y el condensador. casi igual que el de la unidad impulsada por calor puro. Investigación bien probada. Miyazaki [16] y otros propusieron un refrigerador de absorción con doble evaporador. Este nuevo frigorífico consta de dos evaporadores, un condensador y tres absorbedores. La evaporación y la absorción se realizan simultáneamente a dos presiones diferentes, lo que puede ampliar el rango de variación de la concentración del adsorbato durante la concentración y la dilución. Los resultados experimentales muestran que, en determinadas condiciones, el coeficiente de rendimiento de una unidad de absorción de doble evaporador es 3,4 veces mayor que el de una unidad ordinaria. Christian Keil[17] y otros estudiaron la aplicación de bombas de calor de absorción en sistemas de calefacción central de baja temperatura.
2.2 Tendencias de investigación y desarrollo nacionales
El desarrollo de la recuperación de calor residual en mi país es más tardío que en el extranjero.
El calor residual recuperado es principalmente el calor sensible de los gases de combustión y los gases combustibles emitidos durante el proceso de producción. El aprovechamiento del calor residual a baja temperatura está todavía en sus inicios. Y en China, la recuperación del calor residual (especialmente el calor residual de baja calidad) utiliza principalmente bombas de calor por compresión. La aplicación de bombas de calor de absorción todavía está rezagada. En los últimos años, muchas personas han investigado mucho sobre la recuperación del calor residual mediante tecnología de bomba de calor de absorción.
Dalian Sanyo Refrigeration Co., Ltd. Xiao [18] propuso un plan para utilizar una bomba de calor de absorción de bromuro de litio para recuperar el calor residual del agua de cola geotérmica para proporcionar agua de calefacción para el área de operación del campo petrolero. Después de dos temporadas de calefacción, el costo del gas se ahorró en 1,21 millones de yuanes y la tasa de ahorro de energía alcanzó el 46% del consumo de energía del sistema original.
Zhou, Northeastern University [19] estudió el uso de dispositivos de bomba de calor para recuperar el calor residual del agua de refrigeración en circulación y recalentar el aire de entrada de la caldera, lo que puede reducir el consumo de vapor auxiliar y vapor de extracción, lo que permite reducir el consumo de vapor auxiliar y de vapor de extracción. mejorar la economía térmica de la central eléctrica.
Zhou Chongbo y otros del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica de Huadian [20] probaron el rendimiento de los sistemas de recuperación y utilización de calor residual de centrales térmicas de 125 MW y centrales térmicas de 300 MW. Bombas de calor de absorción a escala para recuperar el calor residual del agua circulante para su uso en calefacción central urbana. Se concluye que los efectos adversos provocados por el aumento de la temperatura del agua de retorno de la red de calefacción y la disminución de la presión del vapor impulsor son mayores que los efectos benignos provocados por el cambio inverso de los parámetros correspondientes al impacto del vapor impulsor. sobre la capacidad de calefacción y la recuperación del calor residual es mayor que el impacto del agua de la red de calefacción y el calor residual.
Guo [21] del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica de Hebei utilizó el coeficiente de transferencia de calor de la energía eléctrica para analizar la economía de las bombas de calor por compresión y las bombas de calor por absorción, lo cual es de gran importancia a la hora de orientar la selección de bombas de calor. .
Basándose en la situación real de la Tercera Central Térmica de Datang, la Sra. Lu y [22] analizaron tres situaciones en las que la extracción de vapor industrial, la extracción de vapor industrial y la extracción de vapor de calefacción, y la extracción de vapor de calefacción, se utilizan como fuentes de calor de conducción, y se calculó la economía térmica.
Wu Xing[23] y otros descubrieron que bajo la misma carga de calefacción, el calentamiento del agua circulante requiere más redes de tuberías que las redes de calefacción urbana debido a la pequeña diferencia de temperatura entre el agua de suministro y de retorno (10-15 ℃). . Inversión y consumo de energía de la bomba. Por lo tanto, el rango de aplicación del calentamiento de agua circulante es de 3 a 5 kilómetros alrededor de la central eléctrica.
Sun Zhixin [24] de la Universidad Xi'an Jiaotong estableció un modelo matemático de una bomba de calor con fuente de agua circulante en una planta de energía, analizó la influencia de la temperatura del condensador en los principales parámetros como la bomba de calor. temperatura de evaporación y coeficiente de calentamiento, y calculó que el calentamiento con bomba de calor es mejor que los parámetros críticos para el calentamiento con vapor de extracción.
Wang Baoyu [25] del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica de Huadian analizó el ahorro de energía de tres unidades con cargas nominales de 200 MW, 300 MW y 600 MW basándose en el método de circulación en el que el condensador reemplaza al de baja potencia. Calentador de presión en el sistema de bomba de calor. Puede simplificar el sistema de calefacción de la planta de energía y es una forma importante de optimizar el sistema y ahorrar energía.
La tecnología de calefacción de la Universidad de Tsinghua basada en la recuperación mediante bomba de calor de absorción del calor residual del agua circulante se ha implementado en Chifeng, Mongolia Interior y Datong, Shanxi, mejorando enormemente su capacidad de calefacción [26]. Muchas centrales eléctricas en Beijing, Shanxi y otros lugares utilizan unidades de bomba de calor de absorción para absorber el calor residual del agua en circulación para calefacción. Han logrado buenos beneficios corporativos y sociales y han dado ejemplo en conservación de energía y protección ambiental. Por ejemplo, una central eléctrica en Datong tiene un beneficio anual de ahorro de agua de 3.312 millones de yuanes, un ahorro anual de 68.000 toneladas de carbón estándar y una reducción anual de 17.000 toneladas de emisiones de dióxido de carbono [27].
Jin [28] de PetroChina Liaohe Branch comparó la economía de los sistemas de calefacción por calderas y los sistemas de calefacción por bomba de calor de absorción y creía que la economía de los sistemas de bomba de calor es mejor que la de los primeros.
Ye [29] tomó la unidad supercrítica 660WM como ejemplo y utilizó el método de caída de entalpía equivalente para calcular y analizar la economía de la bomba de calor de absorción.
Liu Zhenyu [30] de Xishan Coal and Electricity Group analizó varias rutas diferentes de tecnología de calefacción para recuperación de calor residual en vista de la baja tasa de utilización de la calefacción central en la cogeneración de centrales eléctricas alimentadas con carbón.
En tercer lugar, se propone el contenido principal de la investigación, el plan de investigación y la ruta técnica de este tema.
3.1 Contenido principal de la investigación
(1) De acuerdo con el proceso del ciclo teórico de la bomba de calor de absorción, encuentre los puntos de estado típicos en el proceso del ciclo y analice el ciclo real. de la bomba de calor consultando los datos Factores que influyen;
(2) Tomando cada intercambiador de calor del sistema de bomba de calor como un componente clave, establecer un modelo de cálculo analítico para la bomba de calor de absorción para recuperar el calor residual de agua en circulación;
(3) Basado en Tomando como ejemplo una unidad de calefacción de 300 MW, se calcula y analiza la eficiencia energética del sistema de la unidad;
3.2 Plan de investigación
Las bombas de calor de absorción se pueden dividir en las primeras cuya temperatura de calor de salida es menor que la de la fuente de calor de conducción, la bomba de calor de absorción Clase 1 (tipo calefacción) y la bomba de calor de absorción de segundo tipo (tipo calefacción) cuya salida. La temperatura del calor es más alta que la fuente de calor impulsora. El primer tipo de bomba de calor de absorción es adecuado para aprovechar el calor residual del agua en circulación en centrales térmicas. Este artículo toma como objeto la bomba de calor de absorción de bromuro de litio y analiza el proceso de circulación del sistema de bomba de calor de absorción al comprender las propiedades del fluido de trabajo. Se supone que todo el sistema está en equilibrio térmico y en un estado de flujo estable. El fluido de trabajo en las salidas del evaporador y del condensador está saturado, y el generador absorbente La solución de bromuro de litio de salida está saturada, y la pérdida por intercambio de calor del intercambiador de calor, el proceso de estrangulamiento adiabático en la válvula de mariposa y los cambios en los parámetros físicos de No se consideran el agua de la red de calefacción. Se obtuvieron el calor de transferencia de calor de cada intercambiador de calor y el coeficiente térmico del sistema, y se analizó la economía del sistema de bomba de calor desde dos aspectos: capacidad de calefacción suficiente y capacidad de calefacción insuficiente de la unidad en las condiciones de calefacción de la unidad.
3.3 Ruta técnica
(1) Determinar la entalpía de cada punto de estado típico del sistema de bomba de calor basándose en el diagrama de entalpía-concentración de la solución de bromuro de litio o la ecuación de cálculo de entalpía específica de solución acuosa de bromuro de litio;
(2) Tomando cada intercambiador de calor del sistema de bomba de calor como un componente clave, establecer un modelo para la bomba de calor de absorción para recuperar el calor residual del agua en circulación, enumerar el calor ecuación de carga de cada intercambiador de calor de acuerdo con el balance de calor, y use el valor de entalpía de cada punto de estado. Se determina la carga de calor de cada componente específico del intercambio de calor, y luego el coeficiente térmico del sistema se obtiene a partir de la ecuación de balance de calor del todo el sistema;
(3) Con la carga de calefacción y los parámetros de vapor inicial y final sin cambios, calcule la cantidad de extracción de vapor de calefacción y la cantidad de extracción de la fuente de calor de la bomba de calor. En caso de suministro de calor insuficiente, el calor residual del agua circulante recuperado por la bomba de calor se utiliza directamente para discutir la economía. Cuando el suministro de calor de la unidad sea suficiente, calcule la cantidad de bombeo de aire ahorrado al instalar el sistema de bomba de calor, calcule el aumento de potencia de la unidad, calcule la cantidad de carbón ahorrada y obtenga los beneficios de ahorro de energía.
En cuarto lugar, se exponen las dificultades y problemas que pueden encontrarse en el proceso de investigación de este tema, y se proponen soluciones preliminares.
Posibles dificultades y problemas: el funcionamiento real del bomba de calor Se verá afectado por muchos factores, lo que dificulta mucho el establecimiento y cálculo del modelo. Al analizar los beneficios del ahorro de energía, los resultados derivados puramente desde una perspectiva térmica pueden ser demasiado diferentes de los beneficios reales. ¿Puedes encontrar una manera relativamente precisa de juzgar su economía?
Ideas iniciales para la solución: Primero, debemos estar familiarizados y comprender las propiedades de la solución de bromuro de litio y el principio de funcionamiento de la bomba de calor de absorción de bromuro de litio. Al modelar un sistema de bomba de calor, debemos ignorar algunos factores que influyen y hacer algunas suposiciones ideales. Al analizar sus beneficios de ahorro de energía, se analiza la capacidad de calefacción o la demanda de calefacción. Cuando encuentre problemas específicos, debe verificar cuidadosamente la información relevante y pedir consejo a sus superiores y profesores.
5. Avances y objetivos esperados de esta investigación.
5.1 Cronograma de investigación
(1) 20XX.09-20XX.10 Comprender el tema, revisar información y redactar un informe de propuesta
(2) 20xx.11-20xx.01 Complete el informe de propuesta y comience a construir el modelo del sistema de bomba de calor;
(3) 20XX.03-20XX.05 Calcule el modelo y realice un análisis económico, complete el documento breve;
(4)4) Defensa temporal en 20xx.06-20xx 07;
(5) Redacción de una tesis de graduación en 20XX.09-20XX.03 y preparación para la defensa de graduación. .
5.2 Objetivos esperados
(1) Comprender los principios de las bombas de calor y su aplicación en centrales eléctricas a través del aprendizaje.
(2) Estudiar los componentes de las mismas; sistema de bomba de calor Transferencia de calor, calcular su carga de calor y completar el análisis económico;
(3) Publicar 2-3 artículos de nivel superior;
(4) Completar con éxito la tesis de maestría .
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