Девянин Д.Н. — инженер,
Пищиков С.И. — кандидат технических наук,
Соколов Ю.Н. — кандидат технических наук, ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго»
В связи с обострением энергетических и
экологических проблем, идея использования тепловых насосов для целей
теплоснабжения привлекает к себе повышенное внимание.
Тепловой насос представляет собой машину,
в которой подводимая низкопотенциальная теплота преобразуется в теплоту более
высокого потенциала. Количество энергии, затрачиваемой на этот процесс,
значительно меньше количества получаемой энергии. Применение тепловых насосных
установок обеспечивает экономию топлива и уменьшение теплового загрязнения
окружающей среды. Утилизируемая с помощью тепловых насосов природная теплота
или теплота вторичных энергоресурсов может использоваться для различных целей
теплоснабжения. То обстоятельство, что расход топлива на нужды теплоснабжения
составляет около 45% общего расхода в народном хозяйстве, убеждает в
перспективности развития и внедрения тепловых насосных установок.
Существует большое разнообразие типов
тепловых насосов, которые могут быть классифицированы по различным признакам:
·
по принципу действия
(паро-компрессионные, абсорбционные и др.);
·
по используемому источнику низкопотенциальной
теплоты (атмосферный воздух, поверхностные илиподземные воды, грунт, тепловые сбросы
и др.);
·
по комбинации теплоносителей-
источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды (воздух-воздух,
воздух-вода, вода-воздух, вода-вода и др.);
·
по виду потребляемой энергии (электрическая,
тепловая от сжигания органического топлива или утилизации сбросной теплоты и
т.п.);
·
по типу привода компрессора (электродвигатель,
двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. д.).
Наибольшее применение тепловые насосы
получили для теплоснабжения (централизованного и децентрализованного); горячего
водоснабжения административных и производственных зданий.
В настоящее время, в условиях острого
дефицита тепловой и электрической энергии, поиск рациональных способов
утилизации сбросной теплоты тепловых электростанций является важной задачей.
Как показывают технико-экономические расчеты, применение теплонасосных
установок для тех же целей экономически целесообразно.
Для широкомасштабного внедрения ТНУ в ОАО
«Мосэнерго», важнейшей предпосылкой являются достаточно большие объемы теплоты,
выбрасываемые в градирнях (даже при минимальном пропуске пара в конденсатор).
Суммарная величина сбросного тепла на городских и прилегающих к Москве ТЭЦ в
период с ноября по март отопительного сезона составляет 1600-2000 Гкал/ч. С
помощью ТНУ можно передать большую часть этой сбросной теплоты в теплосеть
(около 50-60 %). При этом:
•
на производство этой теплоты не надо
затрачивать дополнительное топливо;
•
улучшилась бы экологическая ситуация;
•
за счет понижения температуры циркуляционной
воды в конденсаторе турбин существенно улучшится вакуум и повысится
электрическая выработка с турбин;
•
сократятся потери циркуляционной
воды и затраты на ее перекачку.
Таким образом, масштабы внедрения ТНУ в
ОАО «Мосэнерго» могут быть весьма значительными. Уровень отечественных и
зарубежных разработок позволяет уже сейчас осуществлять промышленную реализацию
крупномасштабных ТНУ (тепловой мощностью до 20-30 Гкал/ч).
Еще в семидесятые годы эффективная
утилизация тепла при помощи теплонасосной установки была осуществлена на
Паужской геотермальной станции на Камчатке. Можно привести в качестве удачного
использования ТНУ экспериментальную систему геотермального обеспечения теплом
жилой зоны и Средне-Парутинского тепличного хозяйства на Камчатке. В этих
случаях в качестве источника тепла использовались геотермальные источники.
Наиболее интересны примеры использования
ТНУ с низкой температурой источника тепла. В этом направлении ведутся работы в
США, Англии, Швеции, Германии. В качестве источников тепла для малых и средних
ТНУ там используется тепло почвы, природных водоемов, а также бытовых и
промышленных стоков. Единичная мощность ТНУ варьируется в диапазоне от 5 до 30
МВт. Только в г. Стокгольме (Швеция) установленная мощность ТНУ превышает 250
МВт. В СССР ТНУ с использованием низкотемпературной теплоты был установлен,
например, в г. Волжском в кинотеатре «Спутник».
Основные задачи создания на
ТЭЦ-28 лабораторного стенда с теплонасосной установкой.
Одним из ключевых вопросов на пути
широкомасштабного внедрения ТНУ является уровень коэффициента преобразования в
ТНУ (отношение полезно отдаваемой теплоты теплопотребителю к энергии на привод
компрессора). При этом с технико-экономической точки зрения важным является и
значение действующих тарифов на электро- и теплоэнергию, а также величина
капитальных и эксплуатационных затрат на ТНУ. В настоящее время имеются
достаточно надежные зарубежные данные по коэффициенту преобразования в ТНУ, а
также отечественные данные по эффективности работы крупных холодильных
установок, которые можно использовать и для оценки работы ТНУ.
Целью настоящей работы являлось ввод в
действие первой в ОАО «Мосэнерго» теплонасосной установки для проведения
испытаний ТНУ в условиях ее реальной эксплуатации на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» в
широком диапазоне изменения определяющих параметров.
При разработке тепловой и технологической
схемы ТНУ на ТЭЦ-28 принималось во внимание, что на первом этапе внедрения ТНУ
наибольший интерес представляет использование в качестве низкотемпературного
источника теплоты для ТНУ сбросной теплоты циркуляционной воды после
конденсатора турбины (в градирню) и ее передача в теплосеть. При этом предпочтительными
являются 2 схемы использования ТНУ на ТЭЦ:
•
ступенчатый подогрев (с
промежуточной химводоочисткой) подпиточной сетевой воды до температуры в
обратной магистрали;
•
прямой подогрев сетевой воды (из
обратной магистрали до подогревателей сетевой воды).
Известно, что величина коэффициента
преобразования ТНУ зависит главным образом от ΔТТНУ -уровня
температурного перепада между температурой к потребителю и температурой
низкотемпературного источника.
При создании лабораторного стенда ТНУ на
ТЭЦ-28 реализованы уникальные возможности изменять в условиях реальной
эксплуатации ТНУ:
• ΔТТНУ от 20
до 50 ОС
• температуру
низкотемпературного источника от 10 до 50 ОС
• температуру от ТНУ к
потребителю от 20 до 65 ОС.
Описание тепловой и технологической схемы
лабораторного стенда ТНУ на ТЭЦ-28 будет дано ниже.
Теплонасосная установка
НТ-410 для испытаний на ТЭЦ-28.
Теплонасосная установка НТ-410-4-9-08
(сокращенно НТ-410) изготовлена на заводе «Компрессор». В июне 1999 г. НТ-410 прошла,
заводские испытания и была поставлена на ТЭЦ-28 для ее монтажа, обвязки с
существующим оборудованием, дооснащения КИПиА и испытаний в условиях ее
реальной эксплуатации на ТЭЦ. В качестве теплоносителя применяется вода
технического состава. Диапазон работы теплового насоса при работе на хладоне
142:
По температуре воды на входе в испаритель
20 — 50 ОС
По температуре на выходе из конденсатора
50 — 65 ОС
По объемному расходу воды на испаритель
35 — 85 м3/ч
По объемному расходу воды на конденсатор
55 — 100 м3/ч
Особенности тепловой и
технологической схемы испытаний ТНУ на ТЭЦ-28.
Использования ТНУ не только на
электростанциях, но и для других целей, при проектировании и создании на ТЭЦ-28
испытательного стенда с ТНУ была заложена возможность изменения в широком
диапазоне определяющих работу ТНУ параметров. Известно, что теплопроизводительность
ТНУ при прочих равных условиях существенно зависит от температуры
низкотемпературного источника на входе в ТНУ, поэтому для повышения
теплопроизводительности ТНУ при ее эксплуатации на ТЭЦ-28 на вход испарителя
ТНУ подается циркуляционная вода с выхода конденсатора турбины. Номинальная
величина охлаждения воды в испарителе составляет примерно 5 OС. Для проведения
испытаний ТНУ при существенно более низких температурах низкотемпературного
источника (например, моделирования случая использования теплоты естественных
водоисточников — рек, озер и т. д.), в схему на ТЭЦ-28 включен дополнительный
параллельный циркуляционный контур с водяным насосом. С уменьшением, при
заданном расходе воды через испаритель, отбора циркуляционной воды от
конденсатора при работе указанного водяного насоса температура на входе в
испаритель будет уменьшаться до требуемого уровня. Для повышения температуры
воды на входе в испаритель до 45-50 ОС предусмотрено подмешивание горячей воды
из прямой тепломагистрали. Испытания ТНУ при высоких температурах на входе в
испаритель представляют интерес, например, при использовании ТНУ для горячего
водоснабжения, когда в качестве низкотемпературного источника используется
теплота бытовых и сбросных теплоисточников или при централизованном
теплоснабжении — теплота сетевой воды в обратной тепломагистрали.
Схема присоединения ТНУ к оборудованию
ТЭЦ-28 предусматривает также возможность значительного изменения температуры на
выходе из конденсатора ТНУ: от 20 до 65 ОС. Номинальный подогрев сетевой воды в
конденсаторе ТНУ на ТЭЦ-28 составляет около 5 ОС.
Результаты испытания ТНУ с
задачей определения коэффициента преобразования ТНУ в условиях реальной
эксплуатации на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго».
Как уже отмечалось, эффективность
работы ТНУ характеризуется коэффициентом преобразования КТНУ —
отношением полезно отдаваемой теплоты теплопотребителю к затраченной энергии на
привод компрессора. Как правило, КТНУ представляется в виде
зависимости от входной температуры воды теплоносителя ТВХ, на входе
в испаритель ТНУ и ТВЫХ — выходной воды (теплоносителя) к
теплопотребителю (на выходе из конденсатора ТНУ). На рисунке 1 показана на
основе зарубежных данных зависимость КТНУ от АТТНУ в
наиболее интересном для практического использования диапазоне изменения АТТНУ.
Видно, что если при АТтну=20 ОС КТНУ составляет ~6, то с
увеличением АТТНУ до 80 ОС КТНУ снижается до ~1,7. Таким
образом, КТНУ зависит главным образом от АТТНУ — уровня
температурного перепада между температурой к высокотемпературному потребителю и
температурой низкотемпературного источника теплоты.
Для получения достаточно достоверных данных по КТНУ
в зависимости от АТТНУ на ТЭЦ-28 была проведена большая серия
испытаний (около 32 контрольных замеров) в достаточно большом диапазоне при
изменении значений ТВХ и ТВЫХ при установившихся режимах.
Количество теплоэнергии, передаваемое от ТНУ в теплосеть при испытаниях
варьировалось от ~300 до ~480 кВт (от ~0,26 до ~0,41 Гкал/ч). Учитывая, что
средняя величина температурного перепада между нагревающей и нагреваемой
средами в конденсаторе и испарителе ТНУ равна 5-6 ОС, для обеспечения
эффективной работы ТНУ минимальное значение АТТНУ должно быть не
ниже 15 ОС.
При выполнении работ по внедрению крупномасштабных ТНУ
в энергетику полученные по КТНУ данные при испытании НТ-410 следует
рассматривать, как нижний предел эффективности ТНУ.
Вместе с тем, сам факт получения при испытании Н Т
-410 такого высокого коэффициента преобразования (КТНУ = 4 — 6) в
диапазоне изменения АТТНУ= 25 — 15 ОС, является крайне важным.
Именно это значение АТТНУ характерно при передаче ТНУ сбросной
теплоты от конденсаторов турбины в обратную тепломагистраль.
Основные выводы.
Реализованная на ТЭЦ-28 технологическая и тепловая
схема присоединения НТ-410 к существующему оборудованию создала уникальные
возможности проведения испытания ТНУ во всем, представляющим интерес для
практического использования ТНУ, диапазоне параметров.
В процессе проведения первого этапа
испытаний в условиях реальной эксплуатации ТНУ на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» получена
зависимость коэффициента преобразования ТНУ в диапазоне температурного перепада
в ТНУ от 15 до 36 ОС.
Подтверждена возможность передачи
сбросной теплоты циркуляционной воды конденсатора турбины (ТЦВ= 25 —
30 ОС) в обратную тепло-магистраль теплосети (ТОБ= 45 — 50 ОС) с
достаточно высоким коэффициентом преобразования (КТНУ= 4,5 — 6 при
соответственно АТТНУ= 25 — 13 ОС).
Рекомендованы к дальнейшей разработке две
схемы использования на первом этапе внедрения на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго»
крупномасштабных ТНУ (теплопроизводительностью до 20 Гкал/ч)
—с передачей сбросной теплоты циркуляционной воды в
обратную тепломагистраль теплосети (до подогревателей сетевой воды);
—использования сбросной теплоты для ступенчатого
нагрева в ТНУ подпиточной сетевой воды.
Комментарии к статье
«Разработка и испытание на ТЭЦ-28 лабораторного стенда НТ-410 (ТНУ)».
Применение теплонасосных установок (ТНУ)
на ТЭЦ весьма перспективно. При мировых тенденциях экономии топливных ресурсов,
сбросное тепло в градирнях необходимо полезно использовать. Уже существует
зарубежный опыт в этом направлении, тем более приятно, что и у нас, где
теплофикация развита как ни в какой другой стране, уже испытана реальная
установка в технологической схеме ТЭЦ.
Оценки показывают, что даже при работе
теплового насоса НТ-410 с коэффициентом преобразования равным 5, себестоимость
производимой тепловой энергии более чем в два раза ниже, чем при традиционной
комбинированной выработке на ТЭЦ.
Только для ОАО «Мосэнерго» масштабы
применения ТНУ на сбросной теплоте градирен может достигать 1600-2000 Гкал/час.
Таким образом, применение ТНУ на ТЭЦ
выгодно не только технологически (улучшается вакуум в конденсаторе и повышается
выработка электроэнергии), но и экономически (реальная экономия топлива или
повышение тепловой мощности ТЭЦ без дополнительных расходов на топливо и
излишних капитальных затрат).
Положительным опытом работы теплонасосной
установки, полученным на ТЭЦ-28, можно воспользоваться более широко. ТНУ может
найти самое широкое поле применения и в других областях теплоснабжения там, где
встречается низкопотенциальное тепло, которое трудно использовать и поэтому оно
просто выбрасывается. Энергосберегающий и, главное, экономический эффект от
внедрения ТНУ может оказаться колоссальным. В тепловых сетях можно увеличить
присоединенную нагрузку за счет установки ТНУ на обратную магистраль, понижая
тем самым температуру обратной сетевой воды. Примеров применения ТНУ может быть
множество, но основное — это реальное применение и широкое внедрение таких
технологий во всех сферах теплоснабжения.