ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПИКОВОЙ НАГРУЗКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
В системах теплоснабжения низкопотенциальные источники теплоты очень часто не используются или используются недостаточно эффективно. Повысить эффективность их использования возможно с помощью теплонасосных установок [54]. Теплонасосные установки (ТНУ) предназначены для передачи теплоты от низкотемпературного источника к среде с более высоким температурным потенциалом. В нашей стране и за рубежом создано и эксплуатируется большое количество установок с тепловыми насосами, которые отличаются друг от друга схемами, рабочими телами, источниками энергии и другим оборудованием. В последние годы эффективность тепловых насосов значительно возросла за счет изменений, внесенных в конструкцию компрессоров, теплообменников и систем управления. Помимо этого, тепловые насосы достигли такого уровня конструктивной прочности, который обеспечивает достаточно высокую долговечность и надежность.
Показателем эффективности работы ТНУ является коэффициент трансформации (преобразования) кт. Коэффициент преобразования равен отношению количества теплоты Qm, отводимого от ТНУ, к количеству теплоты <2„ эквивалентному затратам энергии на приведение установки в действие
Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов зависят от источников низкопотенциальной теплоты. Идеальный источник теплоты должен давать стабильно высокую температуру в течение отопительного сезона, иметь достаточный расход, не вызывать интенсивной коррозии и загрязнения элементов теплового насоса, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных затрат на его использование и расходов по обслуживанию. Наличие в достаточном количестве на тепловых электростанциях и промышленных предприятиях теплоносителей, отвечающих этим требованиям, открывает широкие перспективы применения тепловых насосов для целей теплоснабжения [6, 49].
Одним из возможных вариантов использования ТНУ является обеспечение с их помощью части пиковой тепловой нагрузки.
В настоящее время на ТЭЦ для обеспечения пиковой тепловой нагрузки используются водогрейные котлы, работа которых недостаточно надежна и экономична. Как уже указывалось, основными недостатками пиковых водогрейных котлов, находящихся в эксплуатации, является дополнительный расход топлива при достаточно низком КПД (80-85%) и значительных потерях теплоты с уходящими газами (10-15%) и высокие затраты на водоподготовку.
Влияние этих недостатков на экономичность теплоснабжения можно снизить, если часть пиковой тепловой нагрузки обеспечивать с помощью тепловых насосов, использующих низкопотенциальную теплоту. В научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ разработано несколько решений, позволяющих использовать ТНУ для обеспечения пиковой нагрузки. На рис. 3.15 изображена схема тепловой электрической станции, на которой для обеспечения пиковой тепловой мощности наряду с водогрейными котлами используется ТНУ, подключенная по холодной стороне к трубопроводу обратной сетевой воды перед сетевыми подогревателями.
В пиковом режиме сетевая вода, возвращаемая от потребителей, подается в испаритель ТНУ, где отдает часть теплоты хладагенту и охлаждается, затем сетевая вода поступает в сетевые подогреватели, где нагревается паром отопительных отборов турбины. Перед подачей потребителям сетевая вода дополнительно нагревается в конденсаторе ТНУ за счет теплоты хладагента, циркулирующего в контуре установки. Благодаря последовательному включению испарителя ТНУ в обратный трубопровод теплосети до сетевых подогревателей, а конденсатора в подающий трубопровод теплосети после сетевых подогревателей достигается снижение температуры обратной сетевой воды и происходит увеличение выработки электроэнергии на тепловом потреблении, что позволяет повысить экономичность тепловой электрической станции.
Рассмотрим пример реализации предлагаемой технологии на ТЭЦ с турбиной Т-100-130 для климатических условий г. Ульяновска. ТЭЦ работает с коэффициентом теплофикации ссТЭц= 0,5 при температурном графике 150/70 °С и качественном регулировании тепловой нагрузки, расход сетевой воды составляет 3600 т/ч.
При температуре наружного воздуха tH- -5,5 °С в работу включается теплонасосная установка.
В испарителе ТНУ происходит нагревание и испарение хладагента за счет отвода теплоты от низкопотенциального источника - обратной сетевой воды. В результате происходит небольшое охлаждение (максимум на 10 °С) обратной сетевой воды перед подачей в основные сетевые подогреватели, что приводит к увеличению расхода пара в отопительных отборах и к дополнительной выработке электроэнергии на тепловом потреблении на величину АЕтр, кВт ч, которую можно найти по формуле
При работе ТНУ дополнительно вырабатывается 144,16 ГВт-ч/год электроэнергии, из которых 14,06 ГВт-ч/год расходуется на работу компрессора ТНУ.
Теплота, отведенная в испарителе ТНУ, передается прямой сетевой воде в конденсаторе ТНУ, установленном после основных сетевых подогревателей. Количество теплоты, отведенной от обратной сетевой воды в испарителе ТНУ, ограничено допустимой величиной нагрева воды в основных сетевых подогревателях турбин, которая равна 50 °С. В связи с этим ТНУ не способна обеспечить всю пиковую тепловую нагрузку электростанции, поэтому при tH= -14 °С в работу включаются пиковые водогрейные котлы (рис. 3.16 а).
Экономию условного топлива на ТЭЦ АВ и т/год, при использовании ТНУ совместно с пиковыми водогрейными котлами по сравнению с традиционной технологией, когда используются только пиковые водогрейные котлы, можно выразить в виде
Расчеты, произведенные по формуле (3.31), показывают, что при коэффициенте трансформации km = 4 средний удельный расход условного топлива на единицу теплоты, полученной от ТНУ, составляет bm„y= 28,6 кг/ГДж.
Экономия условного топлива от дополнительной выработки электроэнергии на тепловом потреблении составляет 2960 т/год в расчете на одну турбину Т-100-130.
Расход условного топлива на пиковые водогрейные котлы при использовании ТНУ сократится на величину АВт, т/год, равную
Экономия условного топлива при уменьшении времени использования пиковых водогрейных котлов составляет АВпвк= 2330 т/год. Общая экономия от использования ТНУ в качестве пикового источника теплоты, рассчитанная по формуле (3.29), ABj = 5290 т/год.
Пиковую тепловую нагрузку, отпускаемую с помощью ТНУ, можно увеличить (рис. 3.16 б), обеспечив в испарителе ТНУ максимальное охлаждение обратной сетевой воды на 20 °С, при условии дополнительного подогрева сетевой воды после испарителя и перед основными сетевыми подогревателями. Для дополнительного подогрева сетевой воды используют встроенный пучок конденсатора турбины и дополнительный сетевой подогреватель, питаемый паром нерегулируемых отборов низкого давления [6].
При увеличении пиковой тепловой нагрузки, обеспечиваемой ТНУ, на 23% возрастает экономия топлива: АВтф= 4652 т/год и Д5Ш= 2808 т/год. Общая экономия топлива для рассматриваемого примера равна АВ( = 7460 т/год.
Источником низкопотенциальной теплоты в ТНУ, установленной на ТЭЦ, может также являться циркуляционная вода после конденсатора турбины (рис. 3.17). Благодаря последовательному включению конденсатора ТНУ в подающий трубопровод сетевой воды после сетевых подогревателей возрастает количество теплоты, отпускаемое потребителям, за счет использования низкопотенциальной теплоты, полученной от нагретой циркуляционной воды.
В этом случае дополнительная выработка электроэнергии на тепловом потреблении отсутствует, но при этом существенно снижаются потери теплоты в окружающую среду, которые происходят в градирне. Потери теплоты в градирне весьма существенные. Так, для турбины Т-100-130 номинальный расход охлаждающей воды через главные пучки конденсатора составляет 13500 т/ч [88], а нагрев в конденсаторе 7-8 °С. В связи с этим большая часть пиковой тепловой нагрузки может обеспечиваться с помощью ТНУ (рис. 3.18), а пиковые водогрейные котлы большую часть года будут находиться в резерве.
При охлаждении циркуляционной воды, проходящей через испаритель ТНУ, на постоянную величину Д = 8 °С, ее расход будет изменяться в зависимости от тепловой нагрузки, которая в свою очередь зависит от температуры наружного воздуха. Для рассматриваемого примера с турбиной Т-100-130 зависимость расхода охлаждающей воды, необходимого для обеспечения пиковой нагрузки, от температуры наружного воздуха представлена на рис. 3.19.
Экономия условного топлива ДВ2, т/год, при использовании ТНУ, испаритель которой подключен к сливному трубопроводу охлаждающей циркуляционной воды, может быть найдена по формуле
Годовая экономия условного топлива от использования этой технологии обеспечения пиковой нагрузки с помощью ТНУ составит 2088 тонн. Кроме того, значительно повысится надежность работы ТЭЦ, т.к. пиковые водогрейные котлы будут выведены в резерв.
Недостатками описанного способа обеспечения пиковой нагрузки являются небольшой температурный перепад At = 8 °С, большой расход низкотемпературного теплоносителя через испаритель ТНУ и, как следствие, большие размеры и высокая металлоемкость теплообменных поверхностей ТНУ.
Возможно также объединение теплонасосных установок, изображенных на рис. 3.15 и 3.17, в одну двухступенчатую ТНУ (рис. 3.20). В первой ступени испарителя ТНУ теплота, отводимая от обратной циркуляционной воды, через хладагент передается прямой сетевой воде в первой ступени конденсатора ТНУ. Во второй ступени испарителя ТНУ охлаждается обратная сетевая вода, а отведенная теплота используется во второй ступени конденсатора ТНУ также для нагрева прямой сетевой воды.
В данном случае вся пиковая тепловая нагрузка может быть обеспечена за счет использования двух низкопотенциальных источников теплоты: обратной циркуляционной и обратной сетевой воды, а пиковые котлы на ТЭЦ могут не устанавливаться.
