Повышение эффективности современных систем теплоснабжения

Технические науки

УДК 62-67; 628.16

Батухтин Андрей Геннадьевич Andrey Batukhtin

Иванов Сергей Анатольевич Sergey Ivanov

Кобылкин Михаил Владимирович Mikhail Kobylkin

Миткус Алексей Васильевич Aleksey Mitkus

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

IMPROVING EFFICIENCY OF THE MODERN HEATING SYSTEMS

Рассмотрена возможность применения современных технологических решений для повышения эффективности систем теплоснабжения. Представленные решения основаны на компенсации части потребляемых энергетических ресурсов за счет использования возобновляемых источников энергии с применением тепловых насосов, перераспределении избыточной энергии в существующих системах, а также применении электроразрядных технологий для обеззараживания воды при открытом водоразбо-ре сетевой воды для нужд горячего водоснабжения. Описаны уникальные, экономически оправданные схемы внедрения представленных решений в существующие системы теплоснабжения

The article considers the application of modern technology to improve the efficiency of heating systems. The presented solutions are based on the use of the consumed energy from renewable energy sources with the use of heat pumps, redistribution of excess energy in existing systems, as well as the use of electric-technology for water disinfection in open water pumping mains water for domestic hot water. We describe a unique, cost-justified, implementation scheme of the presented solutions for existing heating systems

Ключевые слова: эффективность, теплоснабжение, тепловой насос, системы теплоснабжения, диа-фрагменный разряд, обеззараживание

Key words: efficiency, heating, heat pumps, heating systems, diaphragm discharge, disinfection

Использование электрической энергии для нужд теплоснабжения — распространенная мировая практика. В России широкое применение комбинированной выработки тепловой и электрической энер-

гии в значительной мере снижает потребление электрической энергии на отопление и горячее водоснабжение, поскольку отпуск теплоты от отборов теплофикационных турбин имеет высокую эффективность.

При этом современное развитие техники открывает более эффективные способы использования электроэнергии в системах централизованного теплоснабжения. К таким способам можно отнести компенсацию части потребляемых энергетических ресурсов за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), перераспределение избыточной энергии в существующих системах, а также применение электроразрядных технологий для обеззараживания воды при открытом водоразборе сетевой воды для нужд горячего водоснабжения

(ГВС) [9].

Преимущества теплоснабжения, использующих ВИЭ, по сравнению с их традиционными аналогами, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения, но и с их экологической чистотой, а также с новыми возможностями для повышения степени автономности работы этих систем [8].

В современных условиях использования ВИЭ надежно закрепили свое место схемы с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды при помощи теплонасосных установок (ТНУ) [8].

В настоящее время число работающих тепловых насосов в зарубежных странах составляет, по разным оценкам, 15...17 млн шт. Ежегодно производится более 1,5 млн шт. различных типов тепловых насосов, а объем продаж составляет более 10 млрд долларов США. Из-за значительной длительности отопительного сезона и как следствие — больших отопительных нагрузок применение тепловых насосов в России более интенсивно, чем в западных странах и имеет большие коэффициенты использования установленной мощности, что делает их применение в системах теплоснабжения более привлекательным [6].

Однако, не смотря на различные технологии сбора тепла окружающей среды, все предлагаемые технологические решения с использованием ТНУ объединяет один недостаток, ограничивающий их область применения. Этим недостатком являются значительные капиталовложения при внедрении ТНУ в существующие системы отоп-

ления, особенно в условиях плотной городской застройки, когда возникает сложность с созданием скважин или приемных емкостей для организации доступа к низкопотенциальной тепловой энергии.

Решением проблемы затрат может стать переход на новый источник тепла, доступ к которому не требует значительной реконструкции исходной схемы теплоснабжения.

При анализе систем отопления зданий на предмет такого источника низкопотенциальной энергии отмечено, что любая система отопления в неотопительный период может играть роль источника тепла. На основании этого вывода разработан способ горячего водоснабжения, отличающийся от аналогов сравнительно малыми капитальными затратами, техническим результатом которого является полное исключение тепловых потерь от трубопроводов абонентского ввода, независимость от централизованного источника тепла, а также утилизация избыточного тепла здания в неотопительный период.

Для достижения заявленного результата воду, используемую для горячего водоснабжения, нагревают до необходимой температуры в конденсаторе теплонасос-ной установки за счет тепла, полученного от низкопотенциального источника в испарителе теплонасосной утсановки, и подают потребителям, причем в качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе используют сетевую воду, циркулирующую в замкнутом контуре системы отопления здания.

Способ горячего водоснабжения реализуется следующим образом (рис. 1):

в неотопительный период, когда система отопления и горячего водоснабжения (ГВС) здания переводится на режим ГВС, закрывается запорная арматура и открывается арматура, тем самым создавая закрытый контур циркуляции внутри системы отопления здания, изолированный от внешних тепловых сетей. В закрытом контуре при помощи циркуляционного насоса, теплоноситель подается в систему отопления. Проходя отопительные приборы, теплоно-

ситель забирает избыточное тепло помещений, после чего поступает в испаритель теплонасосной установки, где охлаждается, передавая собранное тепло хладагенту, циркулирующему в контуре теплонасосной установки. Тепло, полученное хладаген-

том, отдается в конденсаторе теплонасос-ной установки, в который в качестве нагреваемой среды подается вода, идущая на ГВС. Нагрев осуществляется до температуры не менее 60 С, после чего вода подается потребителю.

Рис. 1. Система горячего водоснабжения здания:

1 — подающий трубопровод; 2 — обратный трубопровод; 3 — трубопровод воды идущей на горячее водоснабжение; 4 — конденсатор теплонасосной установки; 5 — испаритель теплонасосной установки; 6 — теплообменник горячего водоснабжения; 7, 8, 9 — запорная арматура; 10 —циркуляционный насос; 11 — отопительный прибор; 12 — трехходовой клапан

Одновременно с закрытием арматуры производится закрытие арматуры и трехходового клапана, что приводит к остановке циркуляции в подающем и обратном трубопроводах абонентского ввода здания. Это полностью исключает тепловые потери от трубопроводов абонентского ввода. При закрытой арматуре теплообменник ГВС не учувствует в теплообмене.

Таким образом, используя в качестве низкопотенциального источника теплоты воду, циркулирующую в системе отопления здания в неотопительный период, можно

обеспечивать здание горячей водой вне зависимости от централизованного источника тепла при незначительных капитальных затратах. При этом экономический эффект достигается за счет экономии при переходе на автономный источник тепла, экономии от отсутствия тепловых потерь от трубопроводов абонентского ввода, а также экономии за счет сокращения затрат на кондиционирование помещений.

Технология переноса теплоты с помощью ТНУ, кроме локального применения для конкретных потребителей, также мо-

жет быть использована для решения задач перераспределения избыточной тепловой энергии в городских сетях теплоснабжения, которым присуща проблема ненормативного отпуска тепла.

Анализ потребления тепловой энергии потребителями, оборудованными приборами учета тепловой энергии г. Чита Забайкальского края, показал значительное отклонение реального теплопотребления от расчетных значений. К примеру, из 81 объекта, финансируемого из городского бюджета, 14 характеризуется превышением фактического потребления над расчетным, причем отклонение доходит до 40 %, что определяет перетоп данных объектов. Остальные 67 объектов характеризуются недоотпуском тепловой энергии. При этом общий недоотпуск тепловой энергии на всех объектах составил более 22 % [6].

Поддержание комфортных температурных условий в помещениях потребителей является первоочередной задачей для систем теплоснабжения, а при общем недо-отпуске тепловой энергии не представляется возможным без внедрения современных технологий [4].

Произведенный расчет эффективности оптимизации отпуска теплоты от ТЭЦ потребителю с учетом изменения в течение суток нагрузки ГВС и температуры наружного воздуха на основе моделирования системы с учетом ее реального состояния на примере системы теплоснабжения микрорайона КСК (г. Чита Забайкальского края), отапливаемого от теплофикационных отборов двух турбин ПТ-60 Читинской ТЭЦ-1, показал экономический эффект 3 млн руб/год за счет снижения температуры обратной сетевой воды. При этом располагаемая тепловая мощность станции может быть увеличена на 6,1 % при сохранении расхода теплоносителя и пропускной способности тепловых сетей, а также выработки электрической энергии [3].

Данный экономический эффект не является предельным, поскольку диапазон температур прямой сетевой воды на

ТЭЦ, в котором находится оптимальная, на конкретном временном промежутке ограничивается разной протяженностью отдельных участков тепловых сетей; участки тепловых сетей имеют разные характеристики тепловой изоляции, скорость изменения температуры прямой сетевой воды на ТЭЦ не должна превышать 30 0С/ч; районы теплопотребления обладают разными потребителями тепловой энергии и, как следствие, требуют разного изменения температур прямой сетевой воды в течение суток [1, 5]. Снять эти ограничения позволит изменение температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей с применением установок по перераспределению потоков теплоты по разноинерционным ветвям теплосетей в зависимости от оптимального суточного графика и потребностей конкретных потребителей. Перераспределение потоков теплоты предполагается осуществлять с применением технологии тепловых насосов по схеме, представленной на рис. 2 [2]. Метод перераспределения заключается в том, что от источника отпускается оптимальная температура теплоносителя, при этом в период натопа в наиболее удаленные участки тепловых сетей температура увеличивается за счет нагрева в конденсаторе теплового насоса, а в период снижения тепловой нагрузки температура увеличивается в ближних участках тепловых сетей.

Рассмотрим пример управления и возможный экономический эффект от схемы, представленной на рис. 2. Введем ограничения, т.к. на данном этапе исследования необходимо принципиально оценить возможный эффект от схемы. Пусть два абонента постоянно снабжаются сетевой водой в количестве 400 кг/с и температурным графиком 104/60. Теплоснабжение осуществляется от двух турбин ПТ 60-90. График потребления тепла абонентами представлен на рис. 3. Верхний график характеризует необходимое изменение температуры прямой сетевой воды, нижняя часть графика — температуру обратной сетевой воды.

Рис. 2. Схема комплекса теплоснабжения:

1 — источник теплоснабжения; 2,3 — конденсатор теплового насоса; 4,5 — испаритель теплового насоса; 6 — тепловой насос; 7 — привод; 8 — потребитель; 9 — второй потребитель; 10,11,12,13 — регуляторы расхода; 14 — трубопроводы прямой сетевой воды; 15 — трубопроводы обратной сетевой воды

Рис. 3. График потребления тепла абонентами

При расчете температура прямой сете- сетевой воды менялась в зависимости от вой воды от станции в течение суток остава- потребности в тепле абонентов, которая ха-лась постоянной, а температура обратной рактеризуется пиками и провалами на гра-

фике. При этом на станции после смешения потоков была усредненная температура обратной сетевой воды. При понижении температуры прямой сетевой воды на 4 0С, т.е. до температуры 100 0С, когда пики тепловой нагрузки снимались тепловым насосом, за сутки на станции можно снизить потребление топлива на 31 т, а в год — 11354 т угля, что в денежном эквиваленте по Хра-норскому углю (768 р/т) 8,72 млн руб.

Данная технология может вполне дополнять существующее централизованное теплоснабжение, причем, чем больше разница двух отношений, тем меньше срок окупаемости проекта.

Помимо использования тепловых насосов к технологиям, повышающим эффективность электронагрева, можно отнести применение электроразрядных технологий. Поскольку их использование несет двойную функцию, помимо нагрева данные установки обеспечивают обеззараживание воды при отрытом водоразборе сетевой воды для нужд ГВС, его использование имеет дополнительную эффективность за счет сокращения распространения микроорганизмов.

В соответствии с СанПиН 2.1.4.2496— 09 для систем централизованного теплоснабжения с открытым водоразбором качество воды должно соответствовать качеству питьевой воды. Для этого необходима разработка современных способов очистки и обеззараживания воды в системах централизованного теплоснабжения [7].

К таким способам очистки стоит отнести диафрагменный разряд (ДЭР), в канале которого происходят различные процессы, такие как кавитация, образование перекиси водорода, диффузии ионов металла с поверхности электродов. А при совмещении ДЭР с применением цеолитсодержащих пород Забайкальских месторождений (имеющих огромные запасы >1600 млн т и низкую стоимость < 8 руб. за 1 кг) повышается суммарное воздействие всего этого, что благоприятно влияет на очистку воды от патогенных микроорганизмов, и при этом обработанная вода является раствором для обеззараживания.

Ряд экспериментов, проделанных в этом направлении, говорит о том, что об-

работанная вода, добавленная в нужном соотношении в зараженную, может полностью обеззаразить весь поток.

Согласно СНиП [10], температура для централизованных систем горячего водоснабжения, присоединенных к открытым системам теплоснабжения, должна составлять 60.. .75 0С. Поэтому сетевая вода в АТП проходит регулировку в регулирующем клапане (рис. 4) до необходимой температуры и далее идет двумя потоками. Первый поток: большая часть направляется в бак— аккумулятор, второй поток идет в разрядную камеру для обеззараживания и после нее поступает в фильтр с цеолитсодержа-щими породами. В зависимости от условий работы и химического состава исходной воды фильтр может устанавливаться либо до бака, либо после. В опытах использовался природный цеолит Шивыртуйского месторождения фракция 1. 3 мм, влажность до 16 %. После фильтра обеззараженный раствор направляется в бак-аккумулятор, где происходит последующая обработка всего потока воды для нужд ГВС. Из бака вода поступает к потребителям. Для управления системы предусмотрен регулирующий блок. Для контроля температуры воды установлено два датчика: перед регулирующим клапаном и перед баком-аккумулятором.

Разрядная камера (рис. 5) представляет собой сосуд, разделенный посередине диафрагмой с отверстиями в ней. В каждой части сосуда находится по медному электроду. Вода для обработки поступает в верхнюю область сосуда и через отверстия в диафрагме перетекает в нижнюю, где удаляется через патрубок. В отверстиях диафрагмы между электродами создается ДЭР. Питание электродов происходит от сети переменного тока 220 В, 50 Гц с повышающим трансформатором до напряжения 2 кВ и регулятором. На входе и выходе разрядной камеры установлено по вентилю для регулировки расхода жидкости.

Степень обеззараживания воды определялась по пробам, отобранным после фильтра по обычным бактериологическим анализам.

Рис. 4. Схема по обеззараживанию и очистке сетевой воды:

1 — регулирующий клапан с электроприводом; 2 — блок управления системой; 3 — бак-аккумулятор; 4 — разрядная камера; 5 — источник питания разрядной камерой; 6 — место установки фильтра; 7 — потребители горячей воды

Рис. 5. Разрядная камера:

1 — корпус разрядной камеры; 2 — диэлектрическая диафрагма; 3 — отверстия; 4 — медные электроды; 5 — входной патрубок; 6 — выходной патрубок; 7 — повышающий трансформатор; 8 — регулятор; 9 — регулировочные вентиля

Неоднократные исследования, выполненные на данной установки, позволили установить зависимость ее бактерицидной активности от температуры воды. Данные эксперименты проводились при различном соотношении расходов между баком-аккумулятором и разрядной камерой. А также при различных режимных факторах. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что с увеличением температуры исходной воды обеззараживающая способность увеличивается. Кроме того, помимо обез-

Литература_

зораживания, система осуществляет догрев сетевой воды, что в свою очередь уменьшает расход из подающего трубопровода.

Работа по разработке энергоэффективных систем централизованного теплоснабжения проводится в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., а также гранта Президента РФ по поддержке молодых ученых, кандидатов наук.

_References

1. Goryachikh N.V., Batukhtin A.G. and S.A. Ivanov. Some Methods for Making Cogeneration Stations More Maneuverable // Thermal Engineering, 2010, Vol. 57, no. 10, pp. 892-896.

2. Батухтин А.Г. Использование тепловых насосов для повышения тепловой мощности и эффективности существующих систем централизованного теплоснабжения // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2010. № 2. С. 28-33.

3. Батухтин А.Г. Методы повышения эффективности и увеличения располагаемой мощности систем централизованного теплоснабжения / / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. по. 1 С. 189-192.

4. Батухтин А.Г., Басс М.С., Батухтин С.Г. Методы повышения эффективности функционирования современных систем транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии / / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 2. С. 199-202.

5. Батухтин А.Г. Влияние протяженности тепловых сетей на режимы отпуска теплоты от ТЭЦ с учетом функционирования потребителей / А.Г. Батухтин, О.Е. Куприянов // Промышленная энергетика. 2005. № 5. С. 39-41.

6. Батухтин А.Г. Применение оптимизационных моделей функционирования систем теплоснабжения для снижения себестоимости тепловой энергии и увеличения располагаемой мощности станции / А.Г. Батухтин, В.В. Маккавеев // Промышленная энергетика. 2010. № 2. С. 7-8.

1. Goryachikh N.V., Batukhtin A.G. and S.A. Ivanov. Some Methods for Making Cogeneration Stations More Maneuverable. Thermal Engineering, 2010, Vol. 57, No. 10, P. 892-896.

2. Batukhtin A.G. Ispolzovanie teplovyh nasosov dlya povysheniya teplovoy moshhnosti i effektivnosti sushhestvuyushhih sistem tsentralizovannogo teplosnabzheniya [The use of heat pumps to increase the output and efficiency of the existing district heating systems] Scientific and technical sheets SPbGTU. 2010. no 2. P. 28-33.

3. Batukhtin A.G. Metody povysheniya effektivnosti i uvelicheniya raspolagaemoy moshhnosti sistem tsentralizovannogo teplosnabzheniya [Methods of improving efficiency and increasing the district heating systems' available capacity] Scientific problems of transport in Siberia and the Far East. - 2010. Number 1. P. 189-192.

4. Batukhtin A.G., Bass M.S., Batuhtin S.G. Metody povysheniya effektivnosti funktsionirovaniya sovremennyh sistem transportirovki, raspredeleniya i potrebleniya teplovoy energii [Methods of efficiency improving of modern transportation systems, distribution and consumption of thermal energy] Scientific transport problems of Siberia and the Far East. 2009. no 2. P. 199-202.

5. Batukhtin A.G., Kupriyanov O.E. Vliyanie protyazhennosti teplovyh setey na rezhimy otpuska teploty ot TETs s uchetom funktsionirovaniya potrebiteley [The influence of heat networks length in the modes of heat supply from the CHP to the users' operation] Industrial power. 2005. no 5. P. 39-41.

6. Batukhtin A.G., Makkaveev V.V. Primenenie optimizatsionnyh modeley funktsionirovaniya sistem teplosnabzheniya dlya snizheniya sebestoimosti teplovoy energii i uvelicheniya raspolagaemoy moshhnosti stantsii [The use of optimization functioning models of heating systems to reduce the cost of thermal energy and increase available power station] Industrial power. 2010. no 2. P. 7-8.

7. Батухтин А.Г., Петин В.В., Суворов И.Ф. Обеззараживание воды в системах централизованного теплоснабжения // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. № 1. С. 209-212.

8. Ефимов Н.Н. Перспективы использования тепловых насосов в энергообеспечении промышленных и коммунальных предприятий / Н.Н. Ефимов, П.А. Малышев // Теплоэнергетика. 2009. № 11. С. 30-33.

9. Петин В.В. Батухтин А.Г., Калугин А.В., Сафронов П.Г. Современные технологии использования электрической энергии в системах централизованного теплоснабжения // Научно-технические ведомости СпбГТУ. Спб., 2010. № 4. С. 32-38.

10. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.01-85. Внутренний трубопровод и канализация зданий. М.: Госстрой России. 1998. 60 с.

Коротко об авторах_

Батухтин А.Г., канд. техн. наук, директор технопарка, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия

Научные интересы: энергетика, энергосбережение, котельные агрегаты, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Иванов С.А., д-р техн. наук, ректор Забайкальского государственного университета, г. Чита, Россия

Научные интересы: энергетика, энергосбережение, котельные агрегаты

Кобылкин М. В., аспирант, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия mkchita@gmail.com

7. Batukhtin A.G., Petin V.V., Suvorov I.F. Obezzarazhivanie vody v sistemah tsentralizovannogo teplosnabzheniya [Water disinfection in district heating systems] Scientific transport problems of Siberia and the Far East. - 2010. no 1. - P. 209-212.

8. Efimov N.N., Malyshev P.A. Perspektivy ispolzovaniya teplovyh nasosov v energoobespechenii promyshlennyh i kommunalnyh predpriyatiy [Prospects for using heat pumps in energy supply of industrial and municipal enterprises ] Thermal Engineering. 2009. no 11. P. 30-33/

9. Petin V.V. Sovremennye tehnologii ispol-zovaniya elektricheskoy energii v sistemah tsentral-izovannogo teplosnabzheniya [Modern technologies for electricity use in district heating systems] Scientific and technical sheets SPbGTU. Spb. 2010. no 4. P. 3238.

10. Stroitelnye normy i pravila. SNiP 2.04.01 — 85. Vnutrenniy truboprovod i kanalizatsiya zdaniy [The internal piping and sewerage of buildings] Moscow: Russian State Committee for Construction. 1998. 60 p.

_Briefly about the authors

А. Batukhtin, candidate of technical sciences, director of the industrial park ZabGU, Chita, Russia

Scientific interests: energy, energy saving, boiler units, non-conventional and renewable sources of energy

S. Ivanov, doctor of technical sciences, rector, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: energy, energy saving, boiler units

М. Kobylkin, postgraduate, Transbaikal State University, Chita, Russia

Научные интересы: энергетика, энергосбережение Scientific interests: energy, energy saving

Миткус А.В., аспирант, Забайкальский государс- A. Mitkus, postgraduate, Transbaikal State Univer-

твенный университет, г. Чита, Россия sity, Chita, Russia

Научные интересы: обеззараживание воды, Scientific interests: disinfection of water, electricity

электроэнергетика и электротехника, энергосбере- and electrical engineering, energy saving

жение