Возможности энергосбережения на парогазовых тепловых электростанциях большой мощности за счет утилизации выбросов низкопотенциальной теплоты продувки градирни

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Создание силовой электрической линии для распределительных сетей на базе ВТСП технологий [Текст] / ВНИИКП,— Презентация доклада на рабочей встрече на тему «Состояние работ по применению ВТСП технологий в электроэнергетике» 22 января 2010 года под пред. гендиректора

ГК «РОСНАНОТЕХ» А.Б. Чубайса.

2. Розанов, М.Н. Надежность электроэнергетических систем |Текст|: справочник,— Том 2,— М.: Энергоатомиздат, 2000,- С. 215-245, 352.

3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей [Текст].— М., 2003.

УДК 621.31 1.22:621.438

МЛ. Молодкина

ВОЗМОЖНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ НА ПАРОГАЗОВЫХ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ ЗА СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ ВЫБРОСОВ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПРОДУВКИ ГРАДИРНИ

На фоне кризисных явлений последних лет в топливных отраслях большинства стран мира проблема энергосбережения стала особенно актуальной для развития мировой экономики. Одно из наиболее перспективных направлений в энергосберегающих технологиях — это переход к энергоснабжению с использованием нетрадиционных источников энергии, в частности к теплоснабжению на базе тепловых насосов как одному из способов повышения энергетической эффективности предприятия при минимальных затратах.

Несмотря на то, что тепловые насосы традиционно принято относить скорее к малой энергетике, значительный исследовательский интерес на данный момент представляет перспектива их внедрения в тепловые схемы ТЭС больших мощностей, что обусловлено следующими факторами:

значительными выбросами низкопотенциальной теплоты, возникающими при охлаждении конденсатора паровой турбины (ПТ) и в иных системах охлаждения со сбросными водами, а также в системах теплоснабжения с повышением температуры обратной сетевой воды;

наличием на ТЭС систем, потребляющих высокопотенциальное тепло на подогрев сырой воды перед химводоочисткой, системы отопления и ГВС;

дешевой электроэнергией.

Выбор в качестве объекта для проведения нашего исследования Северо-Западной ТЭЦ (теплоэлектростанции на базе парогазовых установок (ПГУ) с котлами-утилизаторами) обусловлен следующими соображениями:

1. Строящиеся и проектируемые в настоящее время крупные тепловые электростанции в большинстве базируются на парогазовых технологиях как наиболее перспективном направлениеи развития отечественной энергетики.

2. Несмотря на высокую эффективность ТЭС на базе ПГУ по сравнению с традиционными паросиловыми установками, вопрос экономии органического топлива не теряет своей актуальности. Ограниченность и невосполнимость ископаемых видов топлива, а также тенденция к их удорожанию как в среднесрочной, так и в долгосрочной перспективе заставляют изыскивать любые способы экономии топлива даже на наиболее эффективных установках.

3. Опыт эксплуатации ПГУ ТЭС в нашей стране значительно меньше, чем в странах Европы и США, и «первопроходцем» в области парогазовых установок в России является СевероЗападная ТЭЦ — первая теплоэлектростанция на базе парогазовых установок с котлами-утилизаторами, запущенная в эксплуатацию в 2000 году, а также первая ПГУ ТЭЦ, начавшая работать по теплофикационному циклу в 2006 году. Прак-

тический опыт, нарабатываемый на Северо-Западной ТЭЦ, широко используется при эксплуатации подобных энергетических установок в нашей стране, в научных исследованиях, технических разработках, инновационном проектировании и при подготовке кадров.

Таким образом, в проводимом исследовании предполагается осуществить комбинирование наиболее эффективных на данный момент парогазовых технологий с нетрадиционными источниками энергии.

Один из источников значительных выбросов низкопотенциальной теплоты на тепловых электростанциях большой мощности, в частности на ТЭЦ, работающих по парогазовому циклу, — продувочная вода градирни. В работе предложен возможный вариант частичной утилизации выбросов за счет внедрения теплового насоса в тепловую схему системы оборотного водоснабжения ТЭЦ.

Существующая схема оборотного водоснабжения предполагает подвод охлаждающей циркуляционной воды к конденсатору паровой турбины по напорному распределительному магистральному циркуляционному водоводу с подачей на половины конденсатора по двум циркуляционным водоводам меньшего диаметра.

Для охлаждения вспомогательного оборудования ТЭС техническая вода из водоприемной камеры центральной насосной станции водоснабжения (ЦНС) подается напорным циркуляционным водоводом в здание главного корпуса.

После прохождения конденсатора, теплообменников и механизмов вода поступает в сливные циркуляционные водоводы и далее на градирню, в которой предусмотрена ее подача либо под уровень чаши градирни, либо на брызгатель-ные устройства в зависимости от температуры воды в чаше градирни.

Чаша градирни и водоприемная камера ЦНС соединены самотечным каналом.

Подпитка циркуляционных водоводов конденсатора паровой турбины и охлаждения вспомогательного оборудования блока осуществляется непосредственно в водоприемную камеру ЦНС по подземным коммуникациям от береговой насосной станции (БНС), расположенной на берегу р. Большая Невка.

Для организации водообмена в чаше градирни и поддержания соответствующего воднохи-мического режима охлаждающей воды циркуля-

Энергетика и электротехника

ционного водоснабжения осуществляется слив технической воды для охлаждения вспомогательного оборудования ТЭС с напорного циркуляционного водовода через линию продувки непосредственно в канализацию.

В существующую схему предлагается внести следующие изменения (см. рисунок): перенаправить в испаритель ТН продувку градирни, при этом продувочная вода, охлаждаясь, будет отдавать тепло хладоагенту, после чего сливаться непосредственно в канализацию. Хладоагент же после испарителя подается в приводимый в действие двигателем компрессор ТН, где его параметры повышаются, затем — в конденсатор ТН, здесь он отдает тепло потребителю, после чего поступает в дроссель для проведения параметров к первоначальным.

К достоинствам предложенной схемы можно отнести:

универсальность (схема применима как для парогазовых, так и для паросиловых тепловых электростанций);

простоту (предложенные изменения, ограничивающиеся включением ТН в систему оборотного водоснабжения, почти не усложняют существующую тепловую схему станции);

относительную автономность от незначительных колебаний электрической и тепловой нагрузки и вместе с тем полное отсутствие влияния на режимы работы основного оборудования ТЭС, что в свою очередь придает значительную маневренность ТН. Недостатки схемы:

необходимость подачи электроэнергии на привод компрессора ТН, а следовательно, снижение отпуска с шин теплоэлектростанции.

существенное влияние на работу ТН качества технической воды.

Потери низкопотенциальной теплоты с продувкой градирни в годовом разрезе (табл. 1), рассчитанные на основании статистических данных за несколько предыдущих лет, незначительно варьируются в зависимости как от качества воды и режима работы оборудования, так и от температуры наружного воздуха и в целом составляют от0,8до2 МВт, или, переводя в условное топливо, — от 100 до 250 кг у.т./ч.

В то же время внедрение теплового насоса в схему оборотного водоснабжения (с понижением температуры продувочной воды до 5 °С) позволит утилизировать от 0,5 до 1,7 МВтнизкопо-

Рис. 1. Схема включения теплового насоса в схему оборотного водоснабжения ТЭЦ для утилизации выбросов низкопотенциальной теплоты продувочной воды градирни: 1, 2, 3, 4— сетевые подогреватели; 5, 6— части высокого и низкого давления ПТ; 7— генератор ПТ; 8— конденсатор ПТ; 9— градирня; 10— ЦНС; 11— БНС; 12— привод компрессора ТН; 13— испаритель ТН; 14— компрессор ТН; 15— конденсатор ТН; 16— дроссель

Таблица 1

Расчет потерь нижопотенциальной теплоты с продувкой градирни

Значение параметра по месяцам года

Название параметра, л

единицы измерения январь ч га & о -е- март апрель га а июнь июль август Ою к н X и о & ю к Ё о ноябрь Л & ю га Ы и Ч

Давление технической воды на охлаждение механизмов, МПа 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28

Температура технической воды на охлаждение механизмов, "С 15,5 15,3 15,8 16,8 19,2 22,1 26,2 26,5 22,6 20,0 17,1 16,7

Расход продувки градирни, м3/ч 45,9 48,8 54,6 42,1 53,4 52,2 47,3 67,1 72,3 67,0 70,6 49,2

Низкопотенциальная теплота.

теряемая с продувкой градирни, 0,83 0,87 1,01 0,83 1,20 1,35 1,45 2,08 1,91 1,57 1,41 0,96

МВт "

Низкопотенциальная теплота.

теряемая с продувкой градирни переведенная в условное топливо. 102 107 124 102 147 166 178 255 235 193 174 118

кг. у.т/ч

Температура продувочной воды сбрасываемой в канализацию, "С 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

4

Энергетика и электротехника^

Окончание табл. 1

Значение параметра по месяцам года

Название параметра, Л

единицы измерения январь ч га а m о -е- март апрель за га а июнь июль август ю к н S о о а ю к Ё о ноябрь а ю га и о Ч

Утилизированная низкопотенциальная теплота, МВт 0,56 0,59 0,69 0,58 0,88 1,04 1,17 1,68 1,48 1,17 1,00 0,67

Утилизированная низкопотенци-

альная теплота, переведенная 69 72 84 71 109 128 143 206 182 144 122 82

в условное топливо, кг. у.т./ч

тенциальнои теплоты, что при переводе в условное топливо составит от 70 до 200 кг у.т./ч.

На основании данных, приведенных в табл. 1, были рассчитаны характеристики теплового насоса, способного утилизировать часть низкопотенциальной теплоты, для трех различных режимов работы конденсатора теплонасосной

установки (ТНУ), характеризуемых следующими температурами теплоприемника на входе и выходе из конденсатора ТН:

1)Гкх=60°СиГвк

: 80 °С (предполагается

дальнейшее использование теплоприемника для отопления);

Таблица 2

Расчет характеристик теплового насоса, внедряемого в схему оборотного водоснабжения

Режим работы конденсатора ТН

(гк/гк 1

11 вх / 1 вых I

Название параметра, единицы измерения

Значения параметра при температуре источника пизкопотепциалыюй теплоты па входе в испаритель ТН, "С

16

18

20

22

24

26

28

60/80

Расход рабочего агента, кг/с

Расход нагреваемой воды, кг/с

Нагрузка конденсатора ТН, кВт

Нагрузка испарителя ТН, кВт

Электрическая мощность компрессора, кВт

Коэффициент преобразования энергии

5,6 11,8 984 641

429

2,3

6,6 13,9 1163 757

507

2,3

7,7 16,0 1341 873

585

2,3

8,7 18,2 1520 990

663

2,3

9,7 20,3 1698 1106

741

2,3

10,7 22,4 1877 1222

819

2,3

11,7 24,5 2055 1338

897

2,3

50/70

Расход рабочего агента, кг/с

Расход нагреваемой воды, кг/с

Нагрузка конденсатора ТН, кВт

Нагрузка испарителя ТН, кВт

Электрическая мощность компрессора, кВт

Коэффициент преобразования энергии

5,2 11,1 927,9 641

359

2,6

6,2 13,1 1096 757

424

2,6

7,1 15,1 1265 873

489

2,6

8,0 17,1 1433 990

554

2,6

9,0 19,1 1601 1106

619

2,6

9,9 21,2 1769 1222

684

2,6

10,9 23,2 1937 1338

749

2,6

15/30

Расход рабочего агента, кг/с

Расход нагреваемой воды, кг/с

Нагрузка конденсатора ТН, кВт

Нагрузка испарителя ТН, кВт

Электрическая мощность компрессора, кВт

Коэффициент преобразования энергии

4,0 12,0 755 641

143

5,3

4,8 14,2 892 757

169

5,3

5,5 16,4 1029 873

195

5,3

6,2 18,6 1166 990

221

5,3

7,0 20,8 1303 1106

246

5,3

7,7 22,9 1440 1222

272

5,3

8,4 25,1 1577 1338

298

5,3

2) Гвкх = 50 °С и Гвкых = 70 °С (предполагается возможность использования теплоприемника для горячего °С — нагрев сырой воды для химво-доочистки).

В расчете теплового насоса принимались следующие параметры:

1) изменение температуры источника низкопотенциальной теплоты на входе в испаритель

ТН Г"ход от 15 до 30 °С в зависимости от температуры наружного воздуха;

2) температура источника низкопотенциальной теплоты на выходе из испарителя ТН Т"ыхоа — = 5 "С;

3) расход источника низкопотенциальной теплоты (принят на основании статистических данных) Синт = 50м3/ч = 13,9 кг/с;

4) рабочий агент — фреон 1 (выбран исходя из его термодинамических свойств);

5) минимальные разности температур между греющей и нагреваемой средами в испарителе и конденсаторе А Та = А Тк = 5 °С;

6) внутренний относительный КПД компрессора 0,8.

В табл. 2 приведены результаты расчета характеристик теплового насоса для различных направлений использования теплоприемника.

На основании проведенного исследования сделаны следующие выводы:

1. Одним из способов повышения энергосберегающего потенциала тепловой электростанции является внедрение теплового насоса в схему оборотного водоснабжения с целью утилизации выбросов низкопотенциальной теплоты продувки градирни.

2. Наиболее эффективен с точки зрения коэффициента преобразования энергии и расхода приемника низкопотенциальной теплоты режим работы конденсатора теплового насоса 15/30 — нагрев сырой воды для химводоочистки.

3. Небольшие затраты электроэнергии на привод компрессора теплонасосной установки, косвенная взаимосвязь режима работы теплового насоса с режимами работы основного оборудования и незначительность требуемых изменений в тепловой схеме относятся к преимуществам данной схемы по сравнению с утилизацией в обход градирни низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и технической воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины.

4. Единообразие систем оборотного водоснабжения для тепловых электростанций определяет возможность применения исследуемой схемы не только на теплоэлектростанциях, оборудованных парогазовыми установками, но и на существующих станциях, работающих по традиционному паросиловому циклу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Боровков, В.М. Эффективность применения тепловых насосов на тепловых электростанциях с парогазовыми установками [Текст]: учебное пособие / В.М. Боровков, А. Аль-Алавин,— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008,— 264 с.

2. Оономаренко, B.C. Градирни промышлен-

ных и энергетических предпрятий [Текст]: справочное пособие / B.C. Пономаренко, Ю.И. Арефьев,— М.: Энергоатомиздат, 1998,— 376 е.: ил.

3. Соколов, Е.Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения [Текст]: учебное пособие / Е.Я. Соколов, В.М. Бродянс-кий,— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Энергоиз-дат, 1981,- 320 с.

4. Томановская, В.Ф. Фреоны. Свойства и применение |Текст| / В.Ф. Томановская, Б.Е. Колото-ва,- Л.: Химия, 1970,- 182 с.