Энерготехнологическое комбинирование в промышленности на базе теплонасосных установок (ТНУ)

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ КОМБИНИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА БАЗЕ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

И.А. КОНАХИНА, Т.Г. ГОРБУНОВА

Казанский государственный энергетический университет

Рассматриваются перспективы применения тепловых насосов в системах комбинированного теплоснабжения промышленных предприятий. Проведено сравнение трех вариантов организации комбинированной системы с одновременным отпуском тепла и холода. Дан анализ перспектив использования комбинированных теплонасосных систем в нефтехимической промышленности.

Нефтехимические предприятия РФ характеризуются высокой энергоемкостью производства и занимают первое место по затратам тепловой энергии в промышленности. Решением этой проблемы является максимальное использование побочных энергоресурсов предприятия. Это возможно с помощью энергосберегающих технологий, в частности тепловых насосов. В статье приведены результаты анализа энергетической и термодинамической эффективности трех видов тепловых насосов. Полученные результаты показали, что применение каскадных установок в нефтехимическом производстве наиболее перспективно.

Нефтехимические предприятия Российской Федерации характеризуются высокой долей энерго- и материалоемкости выпускаемой продукции и занимают первое место по затратам тепловой энергии в отечественной промышленности. Нефтехимическими производствами потребляется примерно 4,1% природного топлива, добываемого в стране, и 7,6% электроэнергии от суммарного потребляемого объема в РФ.

Одним из основных решений проблемы снижения энергоемкости таких производств является максимальное вовлечение побочных энергоресурсов предприятия в его общий энергетический баланс. Экономия одной единицы энергии на стадии потребления позволяет сэкономить от 3 до 15 эквивалентных единиц природного топлива на стадии добычи, что в условном исчислении дает от 778,2 до 5508 тыс. т.у.т. в год [1]. Соответственно возникает потребность в эффективных энергосберегающих мероприятиях, направленных на утилизацию вторичных энергоресурсов (ВЭР), образующихся в процессе производства.

К основным ВЭР нефтехимических производств относятся:

• теплота, отведенная от охлаждаемых конструкций: печей, компрессоров и т.п., в том числе теплота химических реакций, отведенная через водяные рубашки или элементы конструкций реакторов;

• теплота охлаждаемых продуктов или полупродуктов производства;

• теплота обратной сетевой воды или парового конденсата;

• теплота отработавших газов печей или котлов;

• теплота оборотной воды градирен.

Согласно общепринятой классификации, все вышеперечисленные виды ВЭР относятся к низкопотенциальным, так как температура жидких теплоносителей редко превышает 150 °С, а газообразных - 350 °С. В высокотемпературных теплотехнологиях крупнотоннажных нефтехимических

© И.А. Конахина, Т.Г. Горбунова Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

производств такие ВЭР редко находят применение и практически полностью сбрасываются в атмосферу.

Выходом из данной ситуации является применение теплонасосных установок (ТНУ), позволяющих повысить температурный потенциал ВЭР до приемлемого уровня.

Преимуществами использования энергоустановок на базе ТНУ являются:

• экономия топливо-энергетических ресурсов на предприятии;

• снижение себестоимости вырабатываемой на ТНУ теплоты по сравнению с топливосжигающими источниками энергоресурсов;

• расположение источника теплоты непосредственно у потребителей (сокращаются потери при транспортировке, расходы на содержание и строительство теплотрасс);

• отсутствие или сокращение вредных выбросов, в том числе термического загрязнения окружающей среды.

В экономически развитых странах тепловые насосы уже давно эффективно используются - преимущественно для индивидуального отопления и горячего водоснабжения жилых домов. В нашей стране проектировать тепловые насосы начали еще в 1926 г., однако их внедрение в промышленность не получило широкого распространения. Промышленные ТНУ, в частности, были установлены на молочно-животноводческом совхозе «Горки-2» (1963, г. Москва), на чайной фабрике в г. Самтредиа (1976, Грузия) и на Подольском химико-металллургическом заводе (1987г., ПХМЗ) [2].

По политико-экономическим причинам в 90-е гг. в нашей стране развитие теплонасосной техники было приостановлено, но в последние пять лет снова возрождается уже более интенсивно. В России уже существует целый ряд фирм, проектирующих и серийно производящих тепловые насосы различной мощности: НПФ «ЭКИП», ОАО «ВНИИ -холодмаш-холдинг», ИНСОЛАР-ИНВЕСТ, «Тритон», ЗАО «Энергия», ООО «Тепловой насос» и др.

Однако основная доля внедрения ТНУ по-прежнему приходится на жилищно-коммунальный сектор. Основными препятствиями для массового применения ТНУ в промышленности РФ являются:

• технические ограничения по температуре вырабатываемых на ТНУ теплоносителей (как правило, не выше 125 °С);

• отсутствие нормативно-законодательной базы;

• сложившееся неблагоприятное соотношение тарифов на электроэнергию и топливо;

• недостаточное внимание и отсутствие поддержки со стороны государства.

Расширение области применения ТНУ на нефтехимических предприятиях в

настоящее время возможно за счет внедрения комбинированных ТНУ с отпуском от одной и той же установки теплоносителей нескольких параметров.

В настоящей статье приведены результаты анализа энергетической и термодинамической эффективности трех видов ТНУ парокомпрессионного типа:

1) ТНУ многоцелевого назначения для отпуска теплоты нескольких параметров, на тепловые нужды отопления и горячего водоснабжения (рис. 1);

Рис. 1 Схема теплового насоса, вырабатывающего теплоноситель двух уровней [3]: КМ -компрессор; К - конденсатор; ДР - дроссельный вентиль; И - испаритель; СО - система отопления; СГВ - система горячего водоснабжения; ТА - теплообменник

2) ТНУ для комплексного тепло- и хладоснабжения (рис. 2);

Рис. 2. Установка комплексного тепло- и хладоснабжения [4]

Обозначения те же, что и на рис. 1

3) каскадная ТНУ для отпуска пара промышленных параметров с применением двух и более рабочих агентов с различными теплофизическими характеристиками (рис. 3).

Охлаждаемый ноток

Рис. 3. Схема каскадной теплонасосной установки [5]: ИКД - испарительно-конденсаторный аппарат. Остальные обозначения аналогичны приведенным на рис. 1

В качестве рабочего агента во всех трех установках использован высокотемпературный фреон Ш33а.

На рис. 1 показана типовая схема теплового насоса, которая позволяет получать в отопительный период теплоноситель двух температурных уровней: ^=95°С (отопительная нагрузка) и *2 = 55-65 оС (нагрузка горячего водоснабжения). В летний период ТНУ переключается в режим холодильной машины с отпуском хладоносителя в виде захоложенной воды с температурой * = (+12) оС.

Принцип работы установки следующий. Сжатые в компрессоре пары фреона поступают в конденсатор, где охлаждаются, отдавая теплоту воде. Нагретая до * = 95оС вода поступает в систему отопления. Охлажденные пары фреона после конденсатора доохлаждаются в теплообменнике, а нагретая до температуры * = 65 оС вода идет на нужды горячего водоснабжения (ГВС). После этого переохлажденный фреон поступает в дроссельный вентиль, где дросселируется до давления испарения и в жидком состоянии направляется в испаритель, где кипит за счет теплоты ВЭР, имеющего температуру * = 40 оС.

Анализ возможности применения изображенной на рис. 1 установки показал, что ее использование в нефтехимической отрасли ограничено недостаточно высокой температурой получаемого теплоносителя, а в летний период, в связи с сокращением нагрузки ГВС и полным отсутствием отопительной нагрузки, использование теплоты конденсации фреона и вовсе становится проблематичным. Это связано с тем, что в нефтехимической отрасли высока доля нагрузки по технологическому пару с температурой * =140-200 оС, а включение представленной ТНУ в систему покрывает с только нагрузку отопления и ГВС [3].

На рис. 2 показана конструкция ТНУ [4], предназначенной удовлетворять потребности предприятия в захоложенной воде * = (+12) оС, циркулирующей в замкнутой системе охлаждения от нагретых конструкций с одновременным получением горячей воды с температурой до 95 °С.

Установка работает следующим образом. Сжатые в компрессоре КМ пары фреона поступают в конденсатор К, где происходит их конденсация. Теплота, отводимая с водой от конденсатора, имеет температуру порядка * = 95 оС, что соответствует температурному уровню тепловой сети в режиме отопления. После конденсатора влажные пары фреона дросселируется и направляются в испаритель И. В испарителе хладагент кипит за счет отводимой теплоты от нагретой воды, возвращаемой из системы охлаждения технологических конструкций, охлаждая ее до

* = 12 оС, и вновь подается на линию всасывания компрессора КМ.

Очевидно, что данная установка имеет те же недостатки, что и приведенная на рис. 1, хотя и дает возможность снять проблемы, связанные с сезонностью тепловых нагрузок предприятия.

Каскадная ТНУ [5], изображенная на рис. 3, в большей степени удовлетворяет нуждам нефтехимических производств и позволяет вырабатывать пар давлением

0,45-0,6 МПа, необходимый для проведения технологических процессов.

В структуре каскадной ТНУ открытого типа имеется два контура, которые связаны между собой посредством узла ИКД

В нижней ветви циркулирует хладагент Ш33а, в верхнем - вода. Фреон испаряется, отбирая теплоту у вторичного источника теплоты с температурой около 40о С, затем пары фреона сжимаются в компрессоре Км1 и с температурой порядка 105-110 оС поступают в ИКД. В нем пары фреона охлаждаются, отдавая теплоту питательной воде, водяной пар отсасывается компрессором Км2, где происходит повышение температуры до 1500С. Пар с давлением 0,45 МПа и температурой 150 0С поступает потребителю на технологические нужды, а затем отработанный пар в виде конденсата отбирается в систему сбора и возврата конденсата [5].

Применение приведенной каскадной установки в нефтехимической промышленности наиболее выгодно, т.к. утилизируемая теплота ВЭР идет на выработку пара технологических параметров, необходимых для технологических процессов производства.

В таблице представлены расчетные показатели энергетической и термодинамической эффективности установок, приведенные на 1000 кВт отпущенной теплоты и холода, с целью достижения условий сопоставимости.

Таблица

«о , кДж/кг «кд , кДж/кг ^км , кДж/кг о, кг/час Ц Qо, кВт В, т.у.т.

Установка 1

Режим отопления (зимой) 194,58 152,82 54,09 4,11 4,49 799,72 31,96

Режим охлаждения (летом) 202,23 271,56 77,03 3,68 3,53 744,21 25,39

Установка 2

Комбиниров анная установка 202,23 271,56 77.03 3,68 3,53 744,21 25,39

Установка 3

Каскадная установка (вода/фреон Ш33а) 61,74 103,92 54,06 9,62 1,92 594,11 20,28

Принятые обозначения характеристики работы исследуемых установок: q0 -удельное количество тепла, подведенное в испарителе к хладагенту; кДж/кг; qKa -удельная тепловая нагрузка конденсатора, кДж/кг; /км - удельная работа сжатия компрессора, кДж/кг; G - расход хладагента, кг/с; д - коэффициент преобразования энергии; В - экономия топлива, т.у.т.

Как видно из таблицы, коэффициент д = q^/l™, определяющий эффективность преобразования энергии, для первой и второй систем выше, чем для каскадной установки. Это достигается относительно небольшой разницей в температурных уровнях температуры ВЭР и температуры конденсации/испарения (с 40 до 95оС)/(с 40 до 12оС).

Основное преимущество каскадной ТНУ - в способности покрывать нагрузку на пар технологических параметров круглогодично, что для нефтехимической промышленности имеет первостепенное значение. Выход ВЭР на таких предприятиях также круглогодичен, а т.к. необходимость в горячей воде летом отпадает, применение установок 1 и 2 экономически не оправдано.

Таким образом, применение каскадных установок в области нефтехимии наиболее перспективно и дает ряд преимуществ, выгодно отличающих их по сравнению с другими приведенными в данной статье установками.

Summary

Prospects of application of thermal pumps in combined heat supply systems of the industrial enterprises are considered. Comparison of three variants of the organization of the combined system with simultaneous of heat and a cold feeding was led. The analysis of prospects of use combined heatpump systems in the petrochemical industry was made.

Литература

1. Назмеев Ю.Г., Конахина И.А. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности. - М.: Издательство МЭИ, 2001. -364 с.

2. Сайт Интернета www.avok.ru.

3. Мартынов А.В., Яворовский Ю.В. Использование вторичных энергоресурсов (ВЭР) на предприятиях химической промышленности // Химическая промышленность. - 2000. - № 4. - С. 3.

4. Везиришвили О.Ш., Н.В. Меладзе Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения - М.: Издательство МЭИ, 1994. - 79 с.

5. Конахина И. А.: Организация систем энерготехнологического

комбинирования в производствах изопрена и синтетического изопренового каучука Афтореф. дисс... д-ра. техн. наук. - Казань, 2004.

6. Утилизация низкопотенциальных тепловых ВЭР на химических предприятиях / Григоров В.Г., Нейман В.К. и др. - М.: Химия, 1987. - 249 с.

7. Методика решения задач по основам трансформации тепла и процессам охлаждения / Мартынов А.В. - М: Издательство МЭИ, 1974. - 166 с.

8. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 320с.

9. Сазанов Б.В. Тепловые электрические станции. - М.: Издательство «Энергия», 1974. - С.17.

10. Сазанов Б.В., Ситас В.И. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.51.

Поступила 10.04.2008