blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-2-102-107blackmet-1848Research ArticleЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕECOLOGY AND RATIONAL USE OF NATURAL RESOURCESТермодинамический ресурс повышения энергоэффективности паросиловых установокThermodynamic resource of increasing energy efficiency of steam power plantsСтерлиговВ. В.SterligovV. V.

к.т.н., доцент кафедры «Теплоэнергетика и экология»

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Power and Ecology”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

p.s.1976@bk.ruПуликовП. С.PulikovP. S.

машинист турбогенератора

654038, Кемеровская обл., Новокузнецк, Северное шоссе, 23

Operator of Turbine Generator

Novokuznetsk, Kemerovo Region

pulikov_pavel@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationЗападно-Сибирская ТЭЦ – филиал АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияWest Siberian Thermal Power Plant, branch of JSC “EVRAZ–Joint West Siberian Metallurgical Plant”Russian Federation202029042020632102107Copyright © Стерлигов В.В., Пуликов П.С., 20202020Стерлигов В.В., Пуликов П.С.Sterligov V.V., Pulikov P.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1848

Рассмотрены возможности повышения энергоэффективности работы паросиловых установок (ПСУ). Последние используют для генерации электроэнергии на основе теоретических положений технической термодинамики с использованием системного анализа. Реализуется системный подход для комплекса энергетических, экологических и экономических проблем, стоящих перед теплоэнергетикой. На основе мировых тенденций экологии и энергопотребления рассмотрена основная задача теплоэнергетики России по снижению удельного расхода условного топлива на единицу произведенной электроэнергии. Сформулирована математическая модель поставленной задачи. Основное внимание уделено поддержанию проектных параметров цикла ПСУ в конденсаторе. При невозможности обеспечить в нем требуемые температуру и давление за счет использования природного источника охлаждения воды предлагается применять тепловые насосы. В отличие от известных способов установки тепловых насосов для использования отходящей охлаждающей воды предлагается отбирать тепло на подводящей линии воды, доводя температуру до проектной. Тепло, полученное из воды, подаваемой на охлаждение конденсата, предлагается не отводить, а направлять в цикл ПСУ. Показано, что за счет этого тепла можно отказаться от устройства подогревателей низкого давления (ПНД), что намного упростит устройство ПСУ и позволит пар промежуточного отбора для ПНД использовать на выработку электроэнергии. Рассчитана возможность подогрева воды в тепловом насосе до температуры 140 °С, что соответствует уровню подогрева в ПНД. Указаны еще несколько способов использования законов термодинамики в работе паро силовой установки, которые до сих пор не используются: применение воздуха с отрицательной температурой для охлаждения циклонного конденсатора вместо использования традиционного трубчатого, использование фазового перехода (кипения) охлаждающей жидкости для конденсатора.

Possibilities of increasing energy efficiency of steam power plants (SPP) are considered. They are used to generate electricity based on theoretical principles of technical thermodynamics with the use of system analysis. Systematic approach is implemented for the set of energy, environmental and economic problems facing power production. Based on global environmental and energy consumption trends, the article considers the main task of Russian power system – reduction of specific consumption of equivalent fuel per unit of generated electricity. Mathematical model of the task is provided. The main attention was paid to maintaining design parameters of SPP cycle in the capacitor. If it is not possible to provide required temperature and pressure using water cooling source, it is proposed to use heat pumps. In contrast to known methods of installing heat pumps for water cooling waste, it is suggested to collect heat on water supply line, bringing temperature to the designed parameters. We propose not to remove heat obtained from water supplied for condensate cooling, but to send it to the SPP cycle. It is shown that this heat makes possible to abandon device of low pressure heaters (DLPH), which will greatly simplify the design of SPP and allows using of intermediate steam of DLPH to generate electricity. Possibility of heating water in a heat pump to a temperature of 140 °С, which corresponds to the level of heating in DLPH, was calculated. Several ways of applying thermodynamics laws to operation of a steam-powered installation, which are still not used, were indicated: the use of air with negative temperature for cooling cyclone condenser instead of using traditional tubular condenser, and the use of phase transition (boiling) of cooling liquid for a condenser.

теплоэнергетикаэнергоэффективностьудельный расход топливатепловой насосциклонный теплообменниктрубчатый теплообменниквнешнее воздушное охлаждениеheat power stationthermal efficiencyspecific fuel consumptionheat pumpcyclone heat exchangertube heat exchangerouter air coolingReferencesParis Agreement on Climate Change. The Intergovernmental Panel on Climate Change, 2015. URL: http://www.ipcc.ch (Accessed: 15.03.2017).Paris Agreement on Climate Change. The Intergovernmental Panel on Climate Change, 2015. Available at URL: http://www.ipcc.ch (Accessed: 15.03.2017).Carbon market solutions – Website for practical research consultants on the Kyoto Protocol mechanisms. URL: http://www.carbonmarketsolutios.com (Accessed: 15.03.2017).Carbon market solutions – Website for practical research consultants on the Kyoto Protocol mechanisms. Available at URL: http://www.carbonmarketsolutios.com (Accessed: 15.03.2017).Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения: Справочное издание в 2-х книгах. Книга 1 / Под ред. В.Г. Лисиенко. – М.: Теплоэнергетик, 2002. – 688 с.Lisienko V.G., Shchelokov Ya.M., Ladygichev M.G. Khrestomatiya energosberezheniya: Spravochnoe izdanie v 2-kh knigakh. Kniga 1 [Anthology of energy conservation: Reference in 2 books. Book 1]. Lisienko V.G. ed. Мoscow: Teploenergetik, 2002, 688 p. (In Russ.).Welfems P.J.J., Meyer B., Pfaffenberg W., Jusinski P., Jungmittag A. Energy Policies in the European Union Germany’s Ecological Tax Reform. – Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2001.Welfems P.J.J., Meyer B., Pfaffenberg W., Jusinski P., Jungmittag A. Energy Policies in the European Union Germany’s Ecological Tax Reform. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2001.Kutateladze S.S. Fundamentals of heat transfer. – United States: N. p., 1964. Web. – 660 p.Kutateladze S.S. Fundamentals of heat transfer. United States: N. p., 1964, Web, 660 p.Hotel H.C., Zarofun A.F. Radiative Transfer. – New York: McGraw Hill, 1967. – 520 p.Hotel H.C., Zarofun A.F. Radiative Transfer. New York: McGraw Hill, 1967, 520 p.Meadows D., Randers J., William W. Behrens III. The Limits to growth. – Universe Book, New-York: 1991. – 210 p.Meadows D., Randers J., William W. Behrens III. The Limits to growth. Universe Book, New-York: 1991, 210 p.Новак А.В. Электроэнергетика Россия – состояние и перспективы развития // Энергосбережение. 2014. № 1. С. 4 – 8.Novak A.V. Power industry in Russia – state and development prospects. Energosberezhenie. 2014, no. 1, pp. 6–11. (In Russ.).Теплотехника. Учебник для вузов / В.А. Гуляев, Б.А. Вороненко, Л.М. Корнюшко и др. – СПб.: Изд-во «РАПП», 2009. – 352 с.Gulyaev V.A., Voronenko B.A., Kornyushko L.M. etc. Teplotekhnika. Uchebnik dlya vuzov [Heat engineering. Textbook for universities]. St. Petersburg: RAPP, 2009, 352 p. (In Russ.).Carnot S. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance // Annales scientifiques de l’É.N.S. 2e série, 1824. – 457 p.Carnot S. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Annales scientifiques de l’É.N.S. 2e série, 1824, 457 p. (In Fr.).Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник для вузов. – М.: «Энергия», 1974. – 448 с.Kirillin V.A., Sychev V.V., Sheindlin A.E. Tekhnicheskaya termodinamika. Uchebnik dlya vuzov [Technical thermodynamics. Textbook for universities]. Moscow: Energiya, 1974, 448 p. (In Russ.).Теплогенерирующие установки / Делягин Г.Н. и др. – М.: БАСТЕТ, 2010. – 624 с.Delyagin G.N. etc. Teplogeneriruyushchie ustanovki [Heat generating plants]. Moscow: BASTET, 2010, 624 p. (In Russ.).Лосев С.М. Паровые турбины и конденсационные устройства. – М.: Энергия, 1964. – 376 с.Losev S.M. Parovye turbiny i kondensatsionnye ustroistva [Steam turbines and condensing devices]. Moscow: Energiya, 1964, 376 p. (In Russ.).Searle M., Furby J. Design and exploration of condensing boilers. 52nd Autumn Meeting, Westminster, SWIP3EE, November 1986. Р. 22 – 24.Searle M., Furby J. Design and exploration of condensing boilers. 52 nd Autumn Meeting, Westminster, SWIP3EE, November 1986, pp. 22–24.Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и пара. – М.: Энергия, 1975. – 80 с.Rivkin S.L., Aleksandrov A.A. Termodinamicheskie svoistva vody i para [Thermodynamic properties of water and steam]. Moscow: Energiya, 1975, 80 p. (In Russ.).СП 131.13330.2018 Строительная климатология (СНиП 23-01-99*). – М.: Минрегион России, 2018. – 107 с.SP 131.13330.2018 Stroitel’naya klimatologiya (SNiP 23-01-99*) [SP 131.13330.2018 Construction climatology (SNiP 23-01-99 *)]. Moscow: Minregion Rossii, 2018, 107 p. (In Russ.).Ito O., Koboyashi H. Development of gas Engine-Driven Heat Pumps and Vulleumier Cycle Heat Pumps for Residential Use. Reprint of the 1995 Int. Gas Research Conf., Cannes, France. 6-9th November. Vol. 5. Industrial Utilisation. P. 1 – 10.Ito O., Koboyashi H. Development of gas engine-driven heat pumps and vulleumier cycle heat pumps for residential use. Reprint of the 1995 Int. Gas Research Conf., Cannes, France. 6-9 th November. Vol. 5. Industrial Utilisation, pp. 1–10.Ivano H., Yamada T. Development of Absorption Type Air C tioners for Residential Use. Reprint of the 1995 Int. Gas Research Conf., Cannes, France. 6-9th November. Vol. 5. Industrial Utilisation. P. 11 – 22.Ivano H., Yamada T. Development of absorption type air conditioners for residential use. Reprint of the 1995 Int. Gas Research Conf.,Cannes, France. 6-9 th November. Vol. 5. Industrial Utilisation, pp. 11–22.Branson T., Lorton R., Winnington T.L., Gorritxategi X., Green R.J., Sanz Saiz J.I., Uselton R.B. Interotex – the Development of Hight Lift Hight Perfomance Heat Pumps. Reprint of the 1995 Int. Gas Research Conf., Cannes, France. 6-9th November. Vol. 5. Industrial Utilisation. P. 23 – 32.Branson T., Lorton R., Winnington T.L., Gorritxategi X., Green R.J., Sanz Saiz J.I., Uselton R.B. Interotex – the development of hight lift hight perfomance heat pumps. Reprint of the 1995 Int. Gas Research Conf., Cannes, France. 6-9 th November. Vol. 5. Industrial Utilisation, pp. 23–32.Кобылкин М.В., Батухтин С.Г., Кубряков К.А. Перспективное направление внедрения тепловых насосов // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 5-1 (24). С. 74, 75.Kobylkin M.V., Batukhtin S.G., Kubryakov K.A. Promising direction of heat pumps introduction. Mezhdunarodnyi nauchnoissledovatel’skii zhurnal. 2014, no. 5-1 (24), pp. 74, 75. (In Russ.).Пат. 2689233 РФ. Способ повышения энергоэффективности паросиловой установки и устройство для его осуществления / Стерлигов В.В., Пуликов П.С., Стерлигов М.В.; заявл. 21.06.2018; опубл. 24.05.2019. Бюл. № 15.Sterligov V.V., Pulikov P.S., Sterligov M.V. Sposob povysheniya energoeffektivnosti parosilovoi ustanovki i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [Method and device of increasing energy efficiency of steam power installation]. Patent RF no. 2689233. Bulleten izobretenii. 2019, no. 15. (In Russ.).William Thomson, 1st Baron Kelvin – Wikipedia, 2015. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/William_Thomson,_1st_Baron_Kelvin/ (Accessed: 25.03.2018).William Thomson, 1 st Baron Kelvin – Wikipedia, 2015. Available at URL: https://en.wikipedia.org/wiki/William_Thomson,_1st_Baron_Kelvin/ (Accessed: 25.03.2018).Стерлигов В.В., Евтушенко В.Ф., Зайцев В.П. Применение планирования эксперимента при исследовании конвективного теплообмена. Сообщение 2 // Изв. вуз. Черная металлургия. 1974. № 2. С. 165 – 169.Sterligov V.V., Evtushenko V.F., Zaitsev V.P. Application of experimental design in the study of convective heat transfer. Report 2. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1974, no. 2, pp. 165–169.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.