Тепловые насосы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  При пассивном охлаждении компрессор теплового насоса не работает, и теплоноситель просто циркулирует  между скважиной и фанкойлами. Таким образом, холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования.  

 

 

 

  Активное охлаждение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
  Если пассивного охлаждения не достаточно, в системе кондиционирования  используется холод, производимый тепловым насосом. При этом автоматически включается компрессор теплового насоса, и теплоноситель из скважины дополнительно охлаждается тепловым насосом.

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Роль и место тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения крупных городов Российской Федерации

В сложившихся условиях функционирования системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) в городах РФ существуют большие возможности повторного вовлечения огромного потенциала низкопотенциальной теплоты (НПТ) тепловых потоков и выбросов на энергообъектах СЦТ в топливно-энергетический баланс (ТЭБ) городского энергохозяйства, и в первую очередь, за счет внедрения энергосберегающей теплонаносной технологии.

До последнего времени работы по освоению теплонаносной технологии велись скорее разрозненными, чем объединенными усилиями. В ряде городов РФ сооружены теплонаносные установки (ТНУ), которые на данном этапе больше выполняют демонстрационные функции. В числе таких городов следует назвать Нижний Новгород, Новосибирск, Саратов, Москву, Санкт-Петербург и др. Повышенный интерес к освоению теплонаносной технологии в СЦТ, как в прочем и децентрализованном секторе, особенно проявился в последние 5-6 лет. Это обусловлено возрастающим напряжением в топливообеспечении, но главным образом, из-за непрерывного удорожания первичных энергоресурсов, и как следствие этого роста цен на энергоносители.

Накопленный опыт внедрения ТНУ в этих городах показывает на существование практически повсюду одних и тех же трудностей, сдерживающих их внедрение в СЦТ. Основными из них являются отсутствие нормативно-правовых документов, регламентирующих взаимодействие структур городского энергохозяйства, финансовых структур (коммерческих банков, инвестиционных фондов и т.п.) и энергопроизводителей в вопросах взаиморасчетов за произведенную теплоту с помощью ТНУ и финансирования данной технологии. Различие и наличие межведомственных интересов сдерживает не только разработку подобных документов, но и эксплуатацию уже смонтированных ТНУ.

Однако теплонаносная технология неизбежно со временем будет востребована по целому ряду причин. Рассмотрим их более подробно с позиции целесообразности и эффективности внедрения ТНУ в СЦТ городов РФ. Вначале отметим, что в настоящее время только на ТЭС РАО «ЕЭС России» системой охлаждения технической воды (СОТВ) сбрасывается в окружающую среду не менее 140-150 млн Гкал, что эквивалентно 24-26 млн т у.т. непроизводительного расхода топлива. Естественно, что в разных регионах РФ существуют различия в объемах сброса НПТ, например, из-за применения открытой схемы водоразбора, но это только указывает на необходимость регионального подхода в изучении возможностей применения теплонаносной технологии, конечно же, с учетом особенностей СЦТ в каждом регионе. Однако, надо признать, что такое положение является неизбежным при существующей классической системе теплоснабжения (в связи с отсутствием до последнего времени эффективных технологий утилизации НПТ). Освоение теплонаносной технологии позволяет изменить сложившееся представление о невозможности полезно вовлекать в ТЭБ бросовую теплоту.

На самом деле СЦТ в крупных городах РФ обладает уникальными возможностями по эффективному вовлечению НПТ в ТЭБ города и с относительно незначительными капитальными затратами в сравнении с таковыми в зарубежных странах, где СЦТ не получила такого развития, как в РФ.

Итак, какие это преимущества от применения ТНУ в условиях СЦТ, рассмотрим ниже. Практически повсюду в целях обеспечения надежности и экономичности теплоснабжения между тепло-магистралями тепловых сетей ТЭЦ и РК предусмотрены перемычки, которые позволяют, например, летом отключать РК, а подачу теплоты в виде горячей воды производить от ТЭЦ. Это позволяло до недавнего времени увеличивать долю комбинированный выработки тепловой и электрической энергии в неотопительный сезон. Однако в последние несколько лет в связи с переходом на рыночные отношения и в условиях неплатежей этот принцип работы в СЦТ нарушен. Причиной такого положения явилось различие тарифов на теплоэнергию, производимую на ТЭЦ и РК. Парадокс состоял в том, что городские службы Теплоэнерго реализовали теплоту по завышенному тарифу (установленному для предприятий Теплоэнерго), это и привело к раздельному производству и реализации теплоты на ТЭЦ и РК, в частности, такое положение наблюдается в системе теплоснабжения г. Москвы.

 

 

 

 

12. Оценка технического потенциала возможного использования НПТ СЦТ

 

Самым важным в техническом отношении является то, что имеются связи между тепломагистралями ТЭЦ и РК, которые используются сейчас только в чрезвычайных случаях. Это обстоятельство можно весьма выгодно использовать для утилизации бросового НПТ ТЭЦ с помощью применения ТНУ.

Существенным здесь является возможность трансформации НПТ ТЭЦ с высоким коэффициентом преобразования (КОП) на уровне 6-8 и возможно это благодаря наличию перемычек между тепломагистралями ТЭЦ и РК. Учитывая, что температурные графики сетевой воды в городских теплосетях ТЭЦ и РК совпадают (а если и различаются, то незначительно), то преобразование НПТ ТЭЦ с помощью теплонаносных станций (ТНС) термодинамически становится выгодным.

Технологический процесс  полезного вовлечения НПТ ТЭЦ  осуществляется за счет ее передачи на более высоком температурном  уровне обратной сетевой воды теплосети  РК и происходит это следующим  образом:

Поток обратной сетевой воды (ОСВ), возвращаемый на ТЭЦ, проходит через испарители ТНУ и захолаживается до температуры 30 °С (в каждом конкретном случае температура захоложенной ОСВ обосновывается с учетом региональных особенностей СЦТ) и, в конечном итоге, подается в конденсатор паровой турбины (в основной или во встроенный т/о пучок), где и происходит нагрев захоложенной ОСВ, т.е. конденсатор выполняет функции дополнительного подогревателя ОСВ и, таким образом, в нем происходит утилизация НПТ ТЭЦ. В настоящее время НПТ на ТЭЦ полностью выбрасывается в окружающую среду с помощью системы охлаждения технической воды (СОТВ);

В свою очередь, поток ОСВ, возвращаемый на РК, на той же ТНС проходит через конденсаторы ТНУ и нагревается на 15-25 °С (при необходимости можно и больше), что, в конечном итоге, приводит к существенному сокращению расхода топлива на РК. 
Чтобы реализовать такую схему утилизации, с одной стороны, должны быть задействованы перемычки между тепломагистралями ТЭЦ и РК, в этой части нет проблем, с другой, должны быть решены вопросы взаиморасчетов между ТЭЦ и РК, исходя из принадлежности ТНС и долевого участия инвесторов в сооружении ТНС.

Что касается вопросов технической реализации использования захолаженной ОСВ на ТЭЦ, то они были достаточно углубленно проработаны применительно к теплофикационным турбинам типа Т-250/300-240 специалистами ОАО «Уральский ТМЗ». В результате были установлены техническая осуществимость, возможностью целесообразность подачи в конденсатор захоложенной ОСВ для ее нагрева теплотой отработавшего пара.

Оценки масштабов экономии энергоресурсов за счет применения тепловых насосов в СЦТ показывают, что на энергообъектах РАО «ЕЭС России» можно повторно вовлечь в систему теплоснабжения крупных городов не менее 45-50 % НПТ с КОП на уровне 6-8 и до 60-70 % НПТ с КОП на уровне 4-5. В первом случае потребление электроэнергии на привод компрессоров будет минимальным (для ТНУ компрессионного типа). При этом необходимо отметить, что около 40% сброса НПТ ТЭЦ приходится на отопительный период и около 60% НПТ - на неотопительный период. Ниже все оценки эффективности применения ТНУ проводятся с ориентацией на вовлечение бросовой теплоты ТЭЦ РАО «ЕЭС России» для уровня 45-50% НПТ, что не должно вызвать непреодолимых технических трудностей, благодаря уже сложившимся связям между тепловыми сетями ТЭЦ и РК.

При проведении оценок объемов полезного вовлечения НПТ с помощью ТНУ принималось во внимание, что в неотопительный период возможно вовлечь в хозяйственный оборот города около 20-25% тепловых выбросов на ТЭС, т.е. где-то 12-15% от всего годового объема НПТ (этот уровень может быть существенно увеличен, если будут найдены экономичные решения складирования теплоты на летний период, например, в подземных или наземных хранилищах, а также замкнутых линзах на приемлемых глубинах, как это осуществляется в Швеции и других странах). В отопительный период эта доля может достигать 80% от объема тепловых выбросов на ТЭС, т.е. около 32% от всего объема НПТ тепловых выбросов. Однако реальные объемы полезного использования НПТ подлежат уточнению и особенно по регионам РФ. 
Здесь сделаем оговорку, что источники НПТ ТЭЦ не единственные в системе городского хозяйства и, пожалуй, самые огромные источники НПТ сосредоточены на станциях аэрации. Нами этот источник НПТ не рассмотрен.

При наличии таких больших источников НПТ на ТЭЦ возникает вопрос - насколько возможно добиться высокой эффективности от их применения в СЦТ? Во-первых, высокая эффективность достижима лишь в тех случаях, когда ТНУ производит теплоту с таким температурным потенциалом, при котором обеспечивается высокий КОП и при этом достигается наибольший вклад в замещение первичных энергоресурсов. Например, высокие значения КОП могут быть достигнуты при использовании ТНУ для частичного подогрева теплоносителя с последующим догревом его в традиционных устройствах СЦТ. При таком подходе технологический цикл трансформации НПТ осуществляется в выгодном интервале температур, с точки зрения технической и термодинамической целесообразности. Действительно, именно близостью значений параметров теплоносителей в теплосетях ТЭЦ и РК и может быть достигнута высокая термодинамическая эффективность применения ТНУ.

Во-вторых, важной является техническая сторона реализации теплонаносной технологии в СЦТ, в частности, осуществимость сооружения ТНС с наименьшими затратами и простота обслуживания их в эксплуатационных условиях. Только сочетание вышеупомянутых условий предопределяет экономическую целесообразность и эффективность использования ТНУ в СЦТ. Принимая во внимание особенности функционирования СЦТ и наличие технических средств, обеспечивающих живучесть и надежность организации теплоснабжения в крупных городах, можно признать, что для ТНУ существуют все предпосылки, при которых их применение обеспечит значительный энергосберегающий эффект в СЦТ. 
Важным обстоятельством на пути внедрения теплонаносной технологии в СЦТ является наличие производственной базы для изготовления оборудования для широкого диапазона единичных мощностей ТНУ (от нескольких единиц до сотен МВт (тепл.)) и при относительно доступных ценах на оборудование для ТНС. 
Исходя из вышеизложенного, проведена оценка уровня эффективности и масштабов применения теплонаносной технологии в СЦТ в городах РФ. По предварительным расчетам технически реализуемый потенциал НПТ ТЭЦ в СЦТ за счет применения ТНУ может быть оценен в размере не менее 70-80 млн Гкал в год (с КОП в диапазоне 5-8 в зависимости от конкретных условий утилизации НПТ в СЦТ). Это равносильно годовой экономии 12-14 млн т у.т. органического топлива. Потребляемая мощность на привод компрессоров ТНУ составит на уровне 2,3-2,5 тыс. МВт(э) при общей тепловой мощности ТНУ около 14 тыс. Гкал/ч.

По предварительным расчетам расход электроэнергии на привод компрессоров ТНУ составит около 14 тыс. ГВт-ч/год, а выработка теплоты с помощью ТНУ - примерно 70 млн Гкал/год. При сложившихся на текущий период усредненных тарифах на тепло- (140 руб./Гкал) и электроэнергию (300 руб./МВт-ч) в РАО «ЕЭС России» (более корректно следует считать по тарифам для каждого региона) экономическая выгода составит не менее 5,6 млрд руб. или около 185 млн долл. в год. При общих капиталовложениях в ТНС в размере 18 млрд руб. (600 млн долл.) срок окупаемости составит на уровне 3-3,5 лет.

Важно отметить, что в реальности эффективность применения ТНУ может оказаться в ряде случаев заметно выше, например, предварительные проработки применения ТНУ мощностью 40 Гкал/ч на одной из ТЭЦ г. Москвы показывают, что срок окупаемости составит немногим более 2-х лет. Этот пример приведен только для того, чтобы обратить внимание на наличие в отдельных случаях на существование весьма благоприятных условий использования ТНУ в СЦТ.

При температурных графиках работы теплосетей ТЭЦ и РК КОП составляет на уровне 6-8. Это является одной из важнейших особенностей использования НПТ ТЭЦ при передаче ее с помощью ТНУ к обратной сетевой воде, возвращаемой на РК. 
Другим важным направлением утилизации НПТ с помощью ТНУ следует связывать с существующими потерями сетевой воды в теплосетях (это происходит по разным причинам: негерметичность трубопроводов теплосетей, открытый водоразбор в квартальных теплосетях и т. д.). В этой связи на ТЭЦ и РК организовано восполнение этих потерь, на что затрачивается теплота. Возможно использование ТНУ для утилизации НПТ СОТВ на ТЭЦ для подогрева сырой и химочищенной воды, поступающей на восполнение потерь сетевой воды. Подогрев сырой воды в 1-й ступени осуществляется до 30 °С, а во 2-йступени до 50 °С и выше. В качестве источника НПТ используется циркуляционная вода, поступающая на градирни. Применение ТНУ на 1-й стадии подогрева сырой воды обеспечивает КОП на уровне 7-9 (диапазон значений КОП напрямую зависит от сезона года), а на 2-й стадии КОП составляет на уровне 5-6.

Важным фактором, повышающим эффективность использования ТНУ для утилизации НПТ ТЭЦ, может стать также организация подогрева восполняемых потерь сетевой воды для теплосетей РК. Здесь речь идет о том, что потери сетевой воды в теплосетях РК восполняются по перемычкам из теплосетей ТЭЦ. В этом случае на ТЭЦ возрастает расход теплоэнергии на восполнение потерь сетевой воды и тем самым увеличиваются объемы утилизации НПТ ТЭЦ с помощью ТНУ, размещаемых непосредственно на самих ТЭЦ. При таком подходе ТНУ будут обеспечивать утилизацию НПТ с высокими значениями КОП (на уровне 6-8), но здесь предстоит решить вопрос о тарифах на сетевую воду, продаваемую РК. Тариф на сетевую воду должен быть взаимовыгодным, стимулирующим, с одной стороны, ТЭЦ на сооружение ТНУ для утилизации НПТ, с другой, тариф на сетевую воду должен быть таким, чтобы РК были заинтересованы в восполнении потерь сетевой воды из теплосетей ТЭЦ. Вообще это классическая задача межведомственных взаиморасчетов за энергоресурсы. При едином централизованном подходе к решению вопроса восполнения потерь сетевой воды в тепломагистралях города такого вопроса не существует, совершенно очевидно, что в этом случае использование ТНУ для утилизации НПТ ТЭЦ при восполнении потерь сетевой воды выгодно и целесообразно во всех отношениях.