В связи с обострением энергетических и экологических проблем, идея использования тепловых насосов для целей теплоснабжения привлекает к себе повышенное внимание.

Тепловой насос представляет собой машину, в которой подводимая низкопотенциальная теплота преобразуется в теплоту более высокого потенциала. Количество энергии, затрачиваемой на этот цикл, значительно меньше количества получаемой энергии. Применение тепловых насосных установок обеспечивает экономию топлива и уменьшение теплового загрязнения окружающей среды. Утилизируемая с помощью тепловых насосов природная теплота или теплота вторичных энергоресурсов может использоваться для различных целей теплоснабжения. То обстоятельство, что расход топлива на нужды теплоснабжения составляет около 45% общего расхода в народном хозяйстве, убеждает в перспективности развития и внедрения тепловых насосных установок.

Существует большое разнообразие типов тепловых насосов, которые могут быть классифицированы по различным признакам:

· по принципу действия (паро-компрессионные, абсорбционные и др.);

· по используемому источнику низкопотенциальной теплоты (атмосферный воздух, поверхностные илиподземные воды, грунт, тепловые сбросы и др.);

· по комбинации теплоносителей- источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды (воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода и др.);

· по виду потребляемой энергии (электрическая, тепловая от сжигания органического топлива или утилизации сбросной теплоты и т.п.);

· по типу привода компрессора (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. д.).

Наибольшее применение тепловые насосы получили для теплоснабжения (централизованного и децентрализованного); горячего водоснабжения административных и производственных зданий.

В настоящее время, в условиях острого дефицита тепловой и электрической энергии, интенсивный поиск рациональных способов утилизации сбросной теплоты тепловых электростанций является важной задачей. Как показывают технико-экономические расчеты, применение теплонасосных установок для тех же целей экономически целесообразно.

Для широкомасштабного внедрения ТНУ в ОАО «Мосэнерго», важнейшей предпосылкой являются достаточно большие объемы теплоты, выбрасываемые в градирнях (даже при минимальном пропуске пара в конденсатор). Суммарная величина сбросного тепла на городских и прилегающих к Москве ТЭЦ в период с ноября по март отопительного сезона составляет 1600-2000 Гкал/ч. С помощью ТНУ можно передать большую часть этой сбросной теплоты в теплосеть (около 50-60 %). При этом:

• на производство этой теплоты не надо затрачивать дополнительное топливо;

• улучшилась бы экологическая ситуация;

• за счет понижения температуры циркуляционной воды в конденсаторе турбин существенно улучшится вакуум и повысится электрическая выработка с турбин;

• сократятся потери циркуляционной воды и затраты на ее перекачку.

масштабы внедрения ТНУ в ОАО «Мосэнерго» могут быть весьма значительными. Уровень отечественных и зарубежных разработок позволяет уже сейчас осуществлять промышленную реализацию крупномасштабных ТНУ (тепловой мощностью до 20-30 Гкал/ч).

Еще в семидесятые годы эффективная утилизация тепла при помощи теплонасосной установки была осуществлена на Паужской геотермальной станции на Камчатке. Можно привести в качестве удачного использования ТНУ экспериментальную систему геотермального обеспечения теплом жилой зоны и Средне-Парутинского тепличного хозяйства на Камчатке. В этих случаях в качестве источника тепла использовались геотермальные источники.

Наиболее интересны примеры использования ТНУ с низкой температурой источника тепла. В этом направлении ведутся работы в США, Англии, Швеции, Германии. В качестве источников тепла для малых и средних ТНУ там используется тепло почвы, природных водоемов, и бытовых и промышленных стоков. Единичная мощность ТНУ варьируется в диапазоне от 5 до 30 МВт. Только в г. Стокгольме (Швеция) установленная мощность ТНУ превышает 250 МВт. В СССР ТНУ с использованием низкотемпературной теплоты был установлен, например, в г. Волжском в кинотеатре «Спутник».

Основные задачи создания на ТЭЦ-28 лабораторного стенда с теплонасосной установкой.

Одним из ключевых вопросов на пути широкомасштабного внедрения ТНУ является уровень коэффициента преобразования в ТНУ (отношение полезно отдаваемой теплоты теплопотребителю к энергии на привод компрессора). При этом с технико-экономической позиции важным является и значение действующих тарифов на электро- и теплоэнергию, и величина капитальных и эксплуатационных затрат на ТНУ. В настоящее время имеются достаточно надежные зарубежные данные по коэффициенту преобразования в ТНУ, а также отечественные данные по эфф. работы крупных холодильных установок, которые можно использовать и для оценки работы ТНУ.

Целью настоящей работы являлось ввод в действие первой в ОАО «Мосэнерго» теплонасосной установки для проведения испытаний ТНУ в условиях ее реальной эксплуатации на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» в широком диапазоне изменения определяющих параметров.

При разработке тепловой и технологической схемы ТНУ на ТЭЦ-28 принималось во внимание, что на первом этапе внедрения ТНУ наибольший интерес представляет использование в качестве низкотемпературного источника теплоты для ТНУ сбросной теплоты циркуляционной воды после конденсатора турбины (в градирню) и ее передача в теплосеть. При этом предпочтительными являются 2 схемы использования ТНУ на ТЭЦ:

• ступенчатый подогрев (с промежуточной химводоочисткой) подпиточной сетевой воды до температуры в обратной магистрали;

• прямой подогрев сетевой воды (из обратной магистрали до подогревателей сетевой воды).

Известно, что величина коэффициента преобразования ТНУ зависит главным образом от ТТНУ -уровня температурного перепада м. температурой к потребителю и температурой низкотемпературного источника.

При создании лабораторного стенда ТНУ на ТЭЦ-28 реализованы уникальные возможности изменять в условиях реальной эксплуатации ТНУ:

• ТТНУ от 20 до 50 ОС

• температуру низкотемпературного источника от 10 до 50 ОС

• температуру от ТНУ к потребителю от 20 до 65 ОС.

Описание тепловой и технологической схемы лабораторного стенда ТНУ на ТЭЦ-28 будет дано ниже.

Теплонасосная установка НТ-410 для испытаний на ТЭЦ-28.

Теплонасосная установка НТ-410-4-9-08 (сокращенно НТ-41 изготовлена на заводе «Компрессор». В июне 1999 г. НТ-410 прошла, заводские испытания и была поставлена на ТЭЦ-28 для ее монтажа, обвязки с существующим оборудованием, дооснащения КИПиА и испытаний в условиях ее реальной эксплуатации на ТЭЦ. В качестве теплоносителя применяется вода технического состава. Диапазон работы теплового насоса при работе на хладоне 142:

По температуре воды на входе в испаритель 20 - 50 ОС

По температуре на выходе из конденсатора 50 - 65 ОС

По объемному расходу воды на испаритель 35 - 85 м3/ч

По объемному расходу воды на конденсатор 55 - 100 м3/ч

Особенности тепловой и технологической схемы испытаний ТНУ на ТЭЦ-28.

Использования ТНУ не только на электростанциях, но и для других целей, при проектировании и создании на ТЭЦ-28 испытательного стенда с ТНУ была заложена принцип. возможность изменения в широком диапазоне определяющих работу ТНУ параметров. Известно, что теплопроизводительность ТНУ при прочих равных условиях существенно зависит от температуры низкотемпературного источника на входе в ТНУ, поэтому для повышения теплопроизводительности ТНУ при ее эксплуатации на ТЭЦ-28 на вход испарителя ТНУ подается циркуляционная вода с выхода конденсатора турбины. Номинальная величина охлаждения воды в испарителе составляет примерно 5 OС. Для проведения испытаний ТНУ при существенно более низких температурах низкотемпературного источника (например, моделирования случая использования теплоты естественных водоисточников - рек, озер и т. д.), в схему на ТЭЦ-28 включен дополнительный параллельный циркуляционный контур с водяным насосом. С уменьшением, при заданном расходе воды через испаритель, отбора циркуляционной воды от конденсатора при работе указанного водяного насоса температура на входе в испаритель будет уменьшаться до требуемого уровня. Для повышения температуры воды на входе в испаритель до 45-50 ОС предусмотрено подмешивание горячей воды из прямой тепломагистрали. Испытания ТНУ при высоких температурах на входе в испаритель представляют интерес, например, при использовании ТНУ для горячего водоснабжения, когда в качестве низкотемпературного источника используется теплота бытовых и сбросных теплоисточников или при централизованном теплоснабжении - теплота сетевой воды в обратной тепломагистрали.

Схема присоединения ТНУ к оборудованию ТЭЦ-28 предусматривает также принцип. возможность значительного изменения температуры на выходе из конденсатора ТНУ: от 20 до 65 ОС. Номинальный подогрев сетевой воды в конденсаторе ТНУ на ТЭЦ-28 составляет около 5 ОС.

Результаты испытания ТНУ с задачей определения коэффициента преобразования ТНУ в условиях реальной эксплуатации на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго».

Как уже отмечалось, эффективность работы ТНУ характеризуется коэффициентом преобразования КТНУ - отношением полезно отдаваемой теплоты теплопотребителю к затраченной энергии на привод компрессора. КТНУ представляется в виде зависимости от входной температуры воды теплоносителя ТВХ, на входе в испаритель ТНУ и ТВЫХ - выходной воды (теплоносителя) к теплопотребителю (на выходе из конденсатора ТНУ). На рисунке 1 показана на основе зарубежных данных зависимость КТНУ от АТТНУ в наиболее интересном для практического использования диапазоне изменения АТТНУ. Видно, что если при АТтну=20 ОС КТНУ составляет ~6, то с увеличением АТТНУ до 80 ОС КТНУ снижается до ~1, Таким образом, КТНУ зависит главным образом от АТТНУ - уровня температурного перепада м. температурой к высокотемпературному потребителю и температурой низкотемпературного источника теплоты.

Для получения достаточно достоверных данных по КТНУ в зависимости от АТТНУ на ТЭЦ-28 была проведена большая серия испытаний (около 32 контрольных замеров) в достаточно большом диапазоне при изменении значений ТВХ и ТВЫХ при установившихся режимах. Количество теплоэнергии, передаваемое от ТНУ в теплосеть при испытаниях варьировалось от ~300 до ~480 кВт (от ~0,26 до ~0,41 Гкал/ч). Учитывая, что средняя величина температурного перепада м. нагревающей и на­греваемой средами в конденсаторе и испарителе ТНУ равна 5-6 ОС, для обеспечения эффективной работы ТНУ минимальное значение АТТНУ должно быть не ниже 15 ОС.

При выполнении работ по внедрению крупномасштабных ТНУ в энергетику полученные по КТНУ данные при испытании НТ-410 следует рассматривать, как нижний предел эфф. ТНУ.

Вместе с тем, сам факт получения при испытании Н Т -410 такого высокого коэффициента преобразования (КТНУ = 4 - в диапазоне изменения АТТНУ= 25 - 15 ОС, является крайне важным. Именно это значение АТТНУ характерно при передаче ТНУ сбросной теплоты от конденсаторов турбины в обратную тепломагистраль.

Основные выводы.

Реализованная на ТЭЦ-28 технологическая и тепловая схема присоединения НТ-410 к существующему оборудованию создала уникальные возможности проведения испытания ТНУ во всем, представляющим интерес для практического использования ТНУ, диапазоне параметров.

В цикле проведения первого этапа испытаний в условиях реальной эксплуатации ТНУ на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» получена зависимость коэффициента преобразования ТНУ в диапазоне температурного перепада в ТНУ от 15 до 36 ОС.

Подтверждена принцип. возможность передачи сбросной теплоты циркуляционной воды конденсатора турбины (ТЦВ= 25 - 30 ОС) в обратную тепло-магистраль теплосети (ТОБ= 45 — 50 ОС) с достаточно высоким коэффициентом преобразования (КТНУ= 4,5 - 6 при соответственно АТТНУ= 25 - 13 ОС).

Рекомендованы к дальнейшей разработке две схемы использования на первом этапе внедрения на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» крупномасштабных ТНУ (теплопроизводительностью до 20 Гкал/ч)

—с передачей сбросной теплоты циркуляционной воды в обратную тепломагистраль теплосети (до подогревателей сетевой воды);

—использования сбросной теплоты для ступенчатого нагрева в ТНУ подпиточной сетевой воды.

Комментарии к аналитической статье «Разработка и испытание на ТЭЦ-28 лабораторного стенда НТ-410 (ТНУ)».

Применение теплонасосных установок (ТНУ) на ТЭЦ весьма перспективно. При мировых тенденциях экономичности топливных ресурсов, сбросное тепло в градирнях необходимо полезно использовать. Уже есть зарубежный опыт в этом направлении, тем более приятно, что и у нас, где теплофикация развита как ни в какой другой стране, уже испытана реальная установка в технологической схеме ТЭЦ.

Оценки показывают, что даже при работе теплового насоса НТ-410 с коэффициентом преобразования равным 5, себестоимость производимой тепловой энергии более чем в два раза ниже, чем при традиционной комбинированной выработке на ТЭЦ.

Только для ОАО «Мосэнерго» масштабы применения ТНУ на сбросной теплоте градирен может достигать 1600-2000 Гкал/час.

применение ТНУ на ТЭЦ выгодно не только технологически (улучшается вакуум в конденсаторе и повышается выработка электроэнергии), но и экономически (реальная экономия топлива или повышение тепловой мощности ТЭЦ без дополнительных расходов на топливо и излишних капитальных затрат).

Положительным опытом работы теплонасосной установки, полученным на ТЭЦ-28, можно воспользоваться более широко. ТНУ может найти самое широкое поле применения и в других областях теплоснабжения там, где встречается низкопотенциальное тепло, которое трудно использовать и поэтому оно просто выбрасывается. Энергосберегающий и, главное, экономический эффект от внедрения ТНУ может оказаться колоссальным. В тепловых сетях можно увеличить присоединенную нагрузку за счет установки ТНУ на обратную магистраль, понижая тем самым температуру обратной сетевой воды. Примеров применения ТНУ может быть множество, но основное — это реальное применение и широкое внедрение таких технологий во всех сферах теплоснабжения.

Источник: http://www.energosovet.ru