Современные подходы к модернизации централизованного теплоснабжения на основе внедрения теплонасосных установок

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

УДК 620 91 П. А. ТРЕТЬЯКОВА

Тюменский государственный архитектурно-строительный университет

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕРНИЗАЦИИ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК_________________________________________

В статье представлены основные проблемы централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ и выполнен обзор современных подходов решения выделенных проблем на основе внедрения теплонасосных установок.

Ключевые слова: система централизованного теплоснабжения, тепловой насос, тепловые сети, энергосбережение.

Введение. Выбор основных источников энергии при проектировании и создании энергоэффективных систем теплоснабжения жилых и общественных зданий является, по сути, наиболее ответственной задачей, поскольку основная цель Федерального закона от 23.11.2009 N 261-ФЗ — уменьшение объема используемых ресурсов, потребляемых, в частности, на нужды теплоснабжения при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования.

В последнее время все чаще встречается отказ от централизованного теплоснабжения в пользу менее эффективных децентрализованных источников тепла. Целью данной статьи стало знакомство с проблематикой централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ, занимающего значительную часть энергетического баланса РФ, и обзор современных подходов к модернизации централизованного теплоснабжения на основе внедрения теплонасосных установок.

Традиционное централизованное теплоснабжение на базе ТЭЦ. Система традиционного теплоснабжения обеспечивает тепловой энергией около 75 % всех потребителей в России. При этом около 35 % потребности в тепловой энергии обеспечивают теплофикационные системы, то есть системы, в которых источниками теплоты служат ТЭЦ различной мощности [1]. Отпуск тепла с ТЭЦ обеспечивается за счет отборов теплофикационных турбин. Эта система была разработана в 1950-е годы и существенно не изменялась с момента своего появления.

С термодинамической точки зрения, комбинированное производство электроэнергии и тепла на ТЭЦ гораздо более эффективно, чем раздельное производство электроэнергии на конденсационных тепловых электростанциях и тепла котельными. Вместе с тем применение централизованных систем теплоснабжения в настоящее время имеет следующие основные недостатки:

1) высокий уровень потерь тепловой энергии в тепловых сетях;

2) повышение стоимости топливно-энергетических ресурсов;

3) изношенность тепловых сетей и оборудования, а следовательно, и высокий уровень затрат на эксплуатацию тепловых сетей;

4) нарушение гидравлических режимов тепловых сетей и, как следствие, получение «недотопов» и «пе-ретопов» зданий;

5) отсутствие инвестиций на техническое перевооружение и несоответствие традиционно применяемых технологий теплоснабжения современным научно-техническим и экономическим требованиям [2]. Нерешенность этих технических и экономических проблем негативно сказывается на качестве и энергетической эффективности теплоснабжения.

В настоящее время с целью повышения и развития преимуществ теплофикации множество трудов ученых посвящены модернизации существующей системы с использованием теплонасосоных установок направленных на повышение энергетической эффективности и разработки комбинированных систем [3 — 5], которые объединяют в себе структурные элементы централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения.

Применение тепловых насосов в качестве пиковых источников. Орлов М. Е., Шарапов В. И., Чау-кин П. Е., Мордовии В. А. на базе Ульяновского государственного технического университета предложили способ теплоснабжения [6], по которому основную тепловую нагрузку централизованной системы теплоснабжения покрывают базовым источником теплоты, в качестве которого используют сетевые подогреватели теплофикационных турбин ТЭЦ, пиковую тепловую нагрузку покрывают автономным источником теплоты (тепловые насосы). При понижении в подающей магистрали централизованной системы теплоснабжения расхода сетевой воды, контролируемого датчиком расхода, ниже заданных величин автономный источник теплоты используют в качестве базового, для чего местную систему теплоснабжения потребителя отключают от подающей и обратной сетевых магистралей централизованной системы теплоснабжения запорными органами.

Преимуществом этих технологий является возможность при аварийных ситуациях на ТЭЦ и перебоях с централизованным теплоснабжением в работе остаются автономные источники теплоты абонентов, что позволяет защитить систему теплоснабжения от замерзания и существенно повысить ее надёжность. В зимнее время такая система позволит сократить потери при транспорте тепловой энергии.

Рис. 1 Система теилоэнергоснабжения (Данилова В. В., Славина B.C.):

1 — иарогенератор, 2 — иаровая турбина, 3 — электрогенератор, 4 — иодогреватели иитательной воды,

5 — теилообменник 6 — конденсатор 7 — иотребитель, 8 — теиловой насос, 9 — теилообменник вода-фреон, 10 — градирня, 11,12,13 — насосы иотребителей теила, 14 , 15, 16 — теилообменники для нагрева сетевой воды

ТВ Т1

Рис. 2. Способ теплоснабжения Стенина В. А.:

3 — конденсатор, 8 — испаритель, 4 — компрессор, 1 — дроссель теплового насоса, 6 — отопительные приборы, 5 — смесительный насос, 7 — регулятор расхода, 2 — регулятор температуры системы отопления,

Т1 — подающая магистраль тепловой сети, Т2 — обратная магистраль тепловой сети

Применение тепловых насосов, использующих обратную сетевую воду в качестве источника низкопотенциального тепла. Данилов В. В., Славин В. С. предложили систему теплоэнергоснабжения [7], в своем сетевом отопительном контуре содержащую тепловые насосы, установленные в магистраль обратной воды (рис. 1). После передачи тепла потребителям одной группы 14, вода с температурой 60°С поступает в испаритель теплового насоса 8 и, охлаждаясь до 10 °С, возвращается на ТЭЦ, а нагреваемая в ТН вода используется другой группой потребителей.

Похожий вариант снижения тепловых потерь предложил Стенин В. А. В отличие от выше изложенного способа, «переохлаждение» теплоносителя, подаваемого от центрального источника, осуществляется в тепловом насосе одного и того же теплового пункта (рис. 2) [8].

Горячая вода из магистрали Т1 через регулятор температуры 2 подается в отопительные приборы 6 системы отопления, где охлаждается, а затем направ-

ляется в обратную магистраль Т2. Часть охлажденной воды обратной линии системы отопления отбирается для нагрева в конденсаторе теплового насоса, другая поступает в испаритель. Для поддержания заданных значений параметров теплоносителя, поступающего в систему отопления, установлены регулятор температуры 2 и регулятор расхода 7. Снижение температуры воды в обратной магистрали Т2 тепловой сети уменьшает тепловые потери в тепловой сети, а также при том же расходе увеличивает пропускную способность тепловой нагрузки тепловой сети.

Так же Стенин В. А. [9] предложил осуществлять подогрев сетевой воды сначала в теплонасосной установке за счет утилизации тепла конденсации отработавшего пара турбины, а затем в сетевых подогревателях теплофикационных энергоустановок и пиковом водогрейном котле.

Использование теплоты конденсации отработавшего в турбине пара в нижней ветви каскада увеличивает КПД станции, так как отборный пар, ранее

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

Рис. 3. Система централизованного теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения:

1 — трубопровод исходной воды, 2 — установка для очистки воды, 3 — теплофикационный пучок конденсатора паровой турбины ТЭЦ, 4 — трубопровод сетевой воды, 5 — испаритель, 6 — конденсатор, 7 — компрессор,

8 — электродвигатель, 9 — редукционный клапан, 10 — бак-аккумулятор горячей воды, 11 — бак-аккумулятор холодной воды, 12, 13 — насосы, 14 — пиковый водогрейный котел, 15 — тепловой потребитель

Рис. 4. Схема однотрубной системы теплоснабжения:

1 — конденсатор паровых турбин; 2 — подвод и отвод воды системы технического водоснабжения; 3 — контур циркуляционной воды конденсаторов; 4 — ТНУ электростанции; 5 — сетевая вода из источника технического водоснабжения; 6 — химводоочистка сетевой воды; 7 — магистральный теплопровод; 8 — пиковый котел;

9 — городские потребители теплоты; 10 — городские ТНУ; 11 — пиковый котел ТНУ;

12 — потребители теплоты от ТНУ; 13 — охлажденная в испарителях ТНУ вода, поступающая на нужды городского водоснабжения; 14 — сетевая вода на нужды бытового и технологического горячего водоснабжения

поступающий в сетевой подогреватель, направляется в турбину для выработки дополнительной электроэнергии.

На первый взгляд, применение тепловых насосов, использующих в качестве источника тепла обратную сетевую воду, при учете полной стоимости тепла неэкономично. Но если новая система позволяет сократить теплопотребление на 25 — 40 %, то такое решение становится целесообразным [10].

Применение тепловых насосов для снижения температурного графика теплосети. Томилов В. Г. и группа под его руководством предложили способ централизованного теплоснабжения [11,] заключающийся в том, что от ТЭЦ сетевую воду с температурой, обусловленной режимом отпуска теплоты «по горячему водоснабжению» подают в удаленный (например, внутриквартальный) тепловой пункт, обору-

дованный абсорбционным бромисто-литиевым тепловым насосом. Низкопотенциальную теплоту сетевой воды передают воде, циркулирующей в отопительном контуре. Сетевую воду, охлажденную до температуры, обусловленной графиком «горячего водоснабжения» (примерно 30 °С), возвращают на центральный тепловой пункт (ТЭЦ) по трубопроводу 2 обратной сетевой воды.

Таким образом, описанный способ централизованного теплоснабжения обладает более высокой экономичностью за счет снижения потерь в трубопроводах прямой и обратной сетевой воды, увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении, уменьшения объемного расхода сетевой воды за счет снижения температуры прямой сетевой воды, что приведет к снижению электроэнергии на перекачивание теплоносителя.

Применение вторичных энергетических ресурсов ТЭЦ в качестве источника низкопотенциального тепла для тепловых насосов

Наиболее экономичным, с точки зрения сокращения тепловых потерь, являются схемы, в которых идущее тепло от ТЭЦ является только источником низкопотенциального тепла для теплового насоса и не нагревается паром из отборов турбины.

Андрющенко А. И. и группа под его руководством на базе Саратовского государственного технического университета [12] разработали систему централизованного теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения, включающую ТЭЦ, соединенную трубопроводом сетевой воды с удаленным тепловым пунктом, оборудованным тепловым насосом (рис. 3).

Исходная вода прокачивается через теплофикационный пучок 3 конденсатора паровой турбины, где нагревается за счет конденсации отработавшего пара турбины. Нагретая и очищенная от вредных примесей, питьевая вода подается в трубопровод и транспортируется до удаленного теплового пункта (например, внутриквартального), оборудованного двумя компрессионными тепловыми насосами. В обоих тепловых насосах низкопотенциальную теплоту сетевой воды передают рабочему телу теплового насоса в испарителе 5, в результате этого охлажденную воду подают в бак-аккумулятор холодной воды 11. Конденсацию рабочего тела теплового насоса, используемого для ГВС, осуществляют сетевой водой, подаваемой из трубопровода от ТЭЦ-4. Нагретую в конденсаторе сетевую воду до температуры горячего водоснабжения направляют в бак-аккумулятор горячей воды 10. Конденсацию рабочего тела второго теплового насоса производят обратной водой от теплового потребителя. Нагревая последовательно воду в конденсаторе 6 второго теплового насоса и пиковом водогрейном котле 14, ее подают тепловому потребителю 15.

Таким образом, описанная система централизованного теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения обладает более высокой экономичностью за счет того, что:

1. Система содержит лишь один магистральный трубопровод сетевой воды, обеспечивающий нагрузку отопления, горячего и холодного водоснабжения. При этом температура сетевой воды может быть 30 — 40°С, что снижает тепловые потери и затраты в тепловые сети.

2. Процесс нагрева очищенной воды на ТЭЦ ведут лишь в теплофикационном пучке конденсатора, что не снижает выработку электроэнергии на станции.

3. Выравнивание суточных графиков горячего и холодного водоснабжения осуществляется за счет установки баков-аккумуляторов, что позволяет исключить сбросы избытков воды в канализацию.

Проценко В. П. [13] предложил схему, в которой теплота конденсации отработавшего пара турбин электростанций частично или полностью используется в качестве низкопотенциального источника теплоты (НПИТ) парокомпрессионных теплонасосных установок (ТНУ), расположенных на ТЭЦ-4 (рис. 4). Вода после очисти и нагрева в ТНУ подается по однотрубной системе в обслуживаемый город. Вода, передаваемая по магистральному теплопроводу 7, делится на два потока: предназначенный для отопления потребителей 9 (с использованием пикового котла 8) и для обеспечения нагрузок бытового и технологического горячего водоснабжения 14. Поскольку температура воды после отопительных приборов составляет 40 — 50°С, то этот температурный потенциал используется с помощью городских ТНУ 10, имеющих

свой контур теплоснабжения потребителей 12, также включающий пиковые котлы 11. Охлажденная в испарителях ТНУ сетевая вода затем направляется в систему городского водоснабжения 13.

Достоинствами такой системы являются:

— обеспечение требования энергетической безопасности в части недопустимости использования монотоплива (газа) более половины топливного баланса городов и регионов;

— улучшение экологии как в обслуживаемых городах, так и в местах размещения КЭС, АЭС, где снижается тепловое загрязнение среды;

— улучшение экономических показателей электростанции за счет дополнительной выработки теплоты.

Заключение. Подводя итоги обзора состояния и перспектив развития централизованных систем теплоснабжения на базе ТЭЦ необходимо отметить, что централизованное теплоснабжение имеет неоспоримое преимущество. Но в связи с рядом проблем имеется тенденция к переходу на децентрализованное теплоснабжение. Основной недостаток — потери в тепловых сетях. В настоящее время с целью повышения и развития преимуществ теплофикации множество трудов ученых посвящены модернизации существующей системы с использованием теплонасосоных установок.

Интеграция технологии тепловых насосов в систему комбинированной выработки тепловой и электрической энергии приведет к увеличению выработки электроэнергии за счет снижения потерь в теплотрассах при снижении температуры теплоносителя в магистралях, а также при том же расходе к увеличению пропускной способности тепловой сети. Повышение эффективности использования энергии топлива приведет к снижению выбросов С02. Переход на низкотемпературный график в тепловых магистралях, кроме снижения тепловых потерь, приведет к увеличению ресурса, снижению аварийности теплотрасс и снижению их стоимости за счет использования более дешевых теплоизолирующих материалов. В перспективе реально введение разных тарифов на тепло от ТЭЦ — в зависимости от потенциала.

Библиографический список

1. Шарапов, В. И. О зарубежном опыте экономии топливно-энергетических ресурсов в системах теплоснабжения /

B. И. Шарапов, П. В. Ротов // Энергосбережение. — 1999. — № 1. — С. 60-62.

2. Шеремет, Е. О. Применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения в целях повышения экономичности и энергоэфективности тепловых сетей / Е. О. Шеремет, А. С. Семиненко // Современные наукоемкие технологии. — 2013. — № 8. — С. 54-57.

3. Андрющенко, А. И. Комбинированные системы энергоснабжения / А. И. Андрющенко // Теплоэнергетика. — 1997. — № 5. — С. 2-6.

4. Бородихин, И. В. Комбинированная система теплоснабжения с внутриквартальными ДВС как энергосберегающая технология / И. В. Бородихин // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности : материалы V Рос. науч.-техн. конф. — Ульяновск : УлГТУ, 2006. — С. 34-37.

5. Новые технологии в составе энергоблоков ТЭС / П. А. Щинников [и др.] // Вестник СГТУ. — 2004. — № 3 (4). —

C. 139-149.

6. Пат. 2467257 Российская Федерация, МПК7 Б 24 D 3/08.

Способ теплоснабжения / Орлов М. Е., Шарапов В. И., Чау-кин П. Е., Мордовии В. А. ; заявитель и патентообладатель Ульяновский гос. техн. ун-т. — № 2011123023/12 ; заявл.

07.06.11 ; опубл. 20.11.12, Бюл. № 32. — 6 с.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

7. Пат. 2170885 Российская Федерация, МПК7 Б 24 D 15/04,

Б 01 К 17/02. Система теплоэнергоснабжения / Данилов В. В., Славин В. С. ; заявитель и патентообладатель Данилов В. В., Славин В. С. — № 2000118569/06 ; заявл. 17.07.00;

опубл. 20.07.01, Бюл. № 18. — 6 с.

8. Пат. 2239129 Российская Федерация, МПК7 Б 24 D 3/08. Способ теплоснабжения / Стенин В. А. ; заявитель и патентообладатель Стенин В. А. — № 2003102574/06 ; заявл. 30.01.03; опубл. 30.01.03, Бюл. № 22. — 6 с.

9. Пат. 2266479 Российская Федерация, МПК7 Б 24 D 3/08. Способ теплоснабжения / Стенин В. А.; заявитель и патентообладатель Стенин В. А. — № 2004116406/03 ; заявл. 31.05.04; опубл. 20.12.05, Бюл. № 35. — 7 с.

10. Богданов, А. Б. Применение тепловых насосов в «большой» энергетике / А. Б. Богданов // Эффективность систем жизнеобеспечения города : материалы X Всерос. науч.-практ. конф. Красноярск, 25-26 ноября 2009. — 2009. — № 4. -

С. 20-23.

11. Пат. 2163327 Российская Федерация, МПК7 Б24 D3/08. Способ централизованного теплоснабжения / Томилов В. Г., Пугач Ю. Л., Ноздренко Г. В. ; заявитель и патентообладатель

Томилов В. Г., Пугач Ю. Л., Ноздренко Г. В. — № 2000107258/ 06; заявл. 23.03.00 ; опубл. 20.02.2001, Бюл. № 35. — 7 с.

12. Пат. 2306489 Российская Федерация, МПК7 Б 24 D 11/02.

Система централизованного теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения / Андрющенко А. И., Николаев Ю. Е., Новиков Д. В., Федоров Р. В. ; заявитель и патентообладатель Саратовский гос. техн. ун-т (СГТУ) . — № 2006109308/03;

заявл. 23.03.06 ; опубл. 20.09.07, Бюл. № 26. — 5 с.

13. Пат. 2320930 Российская Федерация, МПК7 Б 24 D 11/02. Система однотрубного теплоснабжения / Проценко В. П.; заявитель и патентообладатель Проценко В. П. — № 2006139191/ 03; заявл. 08.11.06 ; опубл. 27.03.08, Бюл. № 9. — 6 с.

ТРЕТЬЯКОВА Полина Александровна, ассистент кафедры «Промышленная теплоэнергетика».

Адрес для переписки: polina_tret@mail.ru

Статья поступила в редакцию 25.03.2014 г.

© П. А. Третьякова

уДк 620 91 П. А. ТРЕТЬЯКОВА

Тюменский государственный архитектурно-строительный университет

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ НА КУРГАНСКОЙ ТЭЦ-2 ЗА СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

В статье анализируются вторичные энергетические ресурсы Курганской ТЭЦ-2. Рассчитаны характеристики теплового насоса, внедряемого в схему ПГУ-ТЭС. Целью исследования стал обзор вторичных энергетических ресурсов парогазовой тепловой электростанции и оценка возможности их использования в утилизационной теплонасосной установке.

Ключевые слова: парогазовые тепловые электростанции, тепловые насосы, вторичные энергетические ресурсы.

В условиях постоянного роста цен на топливо, наблюдающегося в последние годы, особенно актуальной является разработка новых технологий энергосбережения с целью более полного использования энергоресурсов. Существенное значение приобретает внедрение рациональных способов экономии органического топлива на крупных промышленных предприятиях. Проведенный обзор литературы и статей показал, что ВЭР тепловых двигателей являются значительными и в то же время используются недостаточно.

Утилизация низкопотенциальной теплоты при помощи тепловых насосов (ТН) на парогазовых тепловых электростанциях (ПГУ-ТЭС) будет способствовать совершенствованию действующей технологии производства электрической и тепловой энергии, а также уменьшению нагрузки, оказываемой топливно-энергетическим комплексом на окружающую среду, за счет снижения тепловых выбросов и потребления технической воды. Кроме того, увеличится доля альтернативных источников энергии в топливно-энергетическом балансе страны.

Проанализируем вторичные энергетические ресурсы энергоблока ПГУ-110 Курганской ТЭЦ-2.

Дренажная система включает в себя дренажные системы котлов-утилизаторов, паропроводов высокого и низкого давления, паровой турбины и грязного конденсата. Грязный конденсат дренажной системы сливается в единый бак, и для поддержания его температуры в пределах 25-30 °С используется умягченная вода замкнутого контура охлаждения оборудования и механизмов блока.

Система охлаждения (система технического водоснабжения) предназначена для охлаждения воздуха в воздухоохладителях генераторов паровой и газовых турбин; масла в маслоохладителях ПТ и ГТУ; рабочей жидкости станции вакуумирования ПТ, подшипников насосов и другого вспомогательного оборудования энергоблока.

Она состоит из трех замкнутых контуров:

1. Контур охлаждающей воды на охлаждение оборудования и механизмов блока предназначен для подачи охлаждающей воды на воздухоохладители генератора ПТ, на маслоохладители ПТ, на теплообмен-