О перспективах тригенерации в Москве

Размещено на http://www.allbest.ru/

О перспективах тригенерации в Москве

Громов Б.Н.

Сердюкова М.А.

Панфилов А.Ю.

За последние 30 лет среднегодовая температура воздуха на территории России увеличилась на 1,6^оС.

Это нашло соответствующее отражение в нормативных документах.

СНиП 2.01.01-82 для г. Москвы определял средние температуры отопительного периода и его продолжительность в минус 3,6^оС и 213 суток. СП 131.13330-2012 определяет эти величины как минус 2,2^оС и 205 суток. Абсолютный максимум температуры за этот период увеличился на 1^оС.

Наличие продолжительных периодов высокой температуры наружного воздуха, а также повышающиеся требования к микроклимату в жилых и общественных зданиях обусловили в последние годы динамичный спрос на холодильное оборудование. Значительно повысились и технологические требования к системам отвода избыточного тепла от оборудования, например, серверов в дата-центрах.

Российский рынок потребляет около 250 тыс. кондиционеров в год. Темпы роста продаж кондиционеров в г. Москве увеличиваются ежегодно на 10%. тригенерация тепло электроэнергия

Наиболее массовый сегмент рынка воздухоохлаждающих устройств малой и средней мощности (комната, квартира) составляют двухблочные компрессионные кондиционеры (split system).

В этих агрегатах осуществляется очистка и охлаждение (осушка) внутреннего воздуха без возможности подачи свежего приточного воздуха. В большинстве моделей обеспечивается и возможность подогрева внутреннего воздуха в теплонасосном режиме в переходные периоды года за счет тепла наружного воздуха.

Массовое использование этой техники обуславливает увеличение летнего максимума электрической нагрузки, который составляет 70-75% от зимнего максимума.

Прохождение летнего максимума в условиях экстремально высоких температур наружного воздуха вызывает значительные затруднения по условиям работы конденсаторов паровых турбин и проведения ремонтов, снижения пропускной способности электрических сетей.

Вышеуказанное, а также необходимость повышения тепловой экономичности ТЭЦ в неотопительный период и экономической эффективности централизованного теплоснабжения обуславливают повышенный интерес к проблемам тригенерации - комбинированного производства тепла, электроэнергии и холода.

Оценка энергетической эффективности различных схем производства тепла, электроэнергии и холода в условиях крупного города.

Данная работа ориентирована на наиболее массовых потребителей холода с температурами от 5 до 12^оС и не рассматривает проблемы холодоснабжения зданий и сооружений с температурами до -30^оС.

Холодильные нагрузки в жилых зданиях составляют ~0,6-0,7 от расчетной тепловой нагрузки здания. В отдельных помещениях при отсутствии солнцезащиты они могут превышать отопительные нагрузки.

Бытовое кондиционирование воздуха для жилых зданий в климатических условиях г. Москвы не обязательно. Число часов использования холодильной нагрузки не превышает 500 ч (СП 42.1.3330.2011).

В ряде публикаций и выступлений обсуждается возможность использования существующих систем отопления для подачи охлажденной воды в жилые дома от абсорбционных холодильных машин (АБХМ), которые предполагается размещать на существующих или вновь строящихся ЦТП.

Эта идея практически нереализуема.

Внутридомовые системы отопления не имеют тепловой изоляции. При транспорте охлаждающей воды (6-12^оС) по ним конденсация влаги на них в летнее время неизбежна.

Перепад температур в системах холодоснабжения (6-7^оС) в 4 раза меньше, чем в системах отопления. Даже при вдвое меньшей нагрузке скорость холодной воды в трубопроводах по сравнению с отопительной водой увеличится вдвое и превысит допустимые величины (0,8-1,2 м/с) с недопустимым шумовым эффектом.

Тепло- (холодо-) отдача нагревательных (охлаждающих) приборов зависит от средней разности температур, которая в системах отопления составляет 64,5^оС, а в системах холодоснабжения не превышает 8-9^оС.

Все вышеуказанное исключает возможность организации централизованного холодоснабжения в существующих жилых зданиях без повсеместной перекладки трубопроводов и замены нагревательных приборов на нагревательно-охлаждающие вентиляторные конвекторы (fancoil) с отводом конденсата.

Столь же беспочвенны идеи использования подземных теплопроводов для транспорта холодоносителя. Отопительные теплопроводы от ЦТП до зданий при зависимой схеме присоединения расчитаны на перепад температур сетевой воды 80^оС, а при независимой схеме - 25^оС. Очевидно, что они не в состоянии пропустить необходимое количество охлаждающей воды с перепадом температур 6-7^оС.

Конструкции тепло- и холодопроводов неодинаковы. Расчет тепловой изоляции теплопроводов осуществляется исходя из нормированных величин тепловых потерь, расчет толщины изоляции холодопроводов осуществляется, в том числе из условий предотвращения конденсации влаги на поверхности изоляции. Практически обязательным элементом холодоизоляции является пароизоляция, отсутствующая в теплопроводах.

Применительно к новому жилому фонду целесообразность обустройства подобных систем также сомнительна.

В соответствии с СП 42.1.3330.2011 г доля зданий бизнес-класса в общем объеме строительства даже в отдаленной перспективе не превысит 15%.

И скорее всего только в этих зданиях централизованные системы холодо- и теплоснабжения с вентиляторными конвекторами могут найти ограниченное применение.

При этом затраты на холодильную станцию в микрорайоне составят не менее 250-300 USD/кВт. Обустройство системы с вентиляторными конвекторами (имеющими отвод конденсата) потребует не менее 300 USD/кВт дополнительно к стоимости обычных систем отопления.

С большой вероятностью следует предположить, что высокие требования к микроклимату владельцев квартир в этих зданиях в совокупности с повышенной воздухоплотностью ограждающих конструкций неизбежно обусловят использование автономных компрессионных кондиционеров с круглогодичной обработкой приточного воздуха (очистка, нагрев-охлаждение, осушка-увлажнение).

Во всех зданиях других классов (эконом-класс, социальные и специализированные жилища), как и в настоящее время будут использоваться автономные двухблочные компрессионные установки.

Применение этих установок обуславливает единовременные затраты ~300 USD/кВт при высоком уровне отработанной до совершенства в течение 25-30 лет техники. Их использование формально не требует дополнительных затрат на подключение к электрическим сетям 0,4 кВ.

Следует констатировать, что использование АБХМ в жилом фонде не имеет сколько-нибудь значимых перспектив.

Другая ситуация характерна для общественных зданий.

На вновь застраиваемых территориях г. Москвы потребность в развитии объектов социальной и коммерческо-деловой сферы на 53-55% формируется объектами социального назначения, на 32-35% - зданиями и сооружениями коммерческо-деловой сферы, прочими объектами - на 15-20%.

Среди вышеуказанных объектов теми или иными системами охлаждения внутреннего воздуха должны или могут быть оснащены до 40-50% зданий, среди них наибольшую долю составляют предприятия розничной торговли, учреждения здравоохранения и культуры, общественного питания, здания или помещения учреждений управления, кредитно- финансовых учреждений и предприятий связи.

В соответствии с нормативами (РД 34.20.185-94) нагрузка систем кондиционирования при использовании компрессионных установок увеличивает расчетную удельную электрическую нагрузку общественных зданий и сооружений от 14 до 30% в зависимости от функционального назначения зданий. Наибольшие значения характерны для гостиниц (30%), а также административных зданий и кредитно-финансовых учреждений (25%). Минимальные значения (14%) соответствуют предприятиям торговли. Средневзвешенное значение составляет ~ 18-20%.

В настоящее время для относительно крупных магазинов с суммарной площадью торговых залов более 400м², а также универсамов с холодильными камерами для товарного запаса и цехами для производства полуфабрикатов используются, как правило, системы холодоснабжения с двухагрегатными компрессионными установками. В каждом агрегате параллельно работает от двух до шести компрессоров.

В последнее десятилетие в г. Москве и Санкт-Петербурге отмечена тенденция к укрупнению объектов строительства площадью 30-100 тыс. м². Имеет место интеграция торговых и офисных площадей, стоянок автомобилей и т.д. Кондиционирование воздуха в подобных помещениях становится одним из основных мероприятий по привлечению потенциальных клиентов и покупателей. Единичные электрические, холодильные и тепловые нагрузки этих объектов могут достичь десятков МВт.

В табл.1 приведены величины и структура нагрузок проектируемого многофункционального комплекса административно- торгового назначения в зимнем и летнем режимах.

Тепловая нагрузка комплекса сопоставима с нагрузкой населенного пункта на 12-15 тыс. жителей. Вместе с тем электрическая нагрузка как в зимнем, так и особенно в летнем режимах существенно выше (почти вдвое), чем в поселке с вышеуказанным населением.

До 25% электрической нагрузки комплекса формируется парокомпрессионными холодильными машинами с холодильным коэффициентом 3,4.

Холодильная нагрузка равна почти половине (0,55) тепловой нагрузки и формируется в основном (89%) за счет необходимости ассимиляции внешних и внутренних теплопоступлений, охлаждение и осушка приточного воздуха определяют не более 11% нагрузки охлаждения.

В тепловой нагрузке доминирует нагрузка вентиляции (75%), доля систем отопления не превышает 15%, доля нагрузки ГВС - менее 8%. Холодильная нагрузка в отопительный период практически отсутствует, так как в составе оборудования нет низкотемпературных потребителей (склады и т.д.).

Значительные абсолютные величины тепловых и электрических нагрузок обуславливают возможность обустройства автономного электрификационного энергоисточника средней мощности, работающего на собственные нужды и, возможно, на розничном рынке электроэнергии.

Использование явно избыточной тепловой мощности в неотопительный период позволяет:

- сократить затраты на присоединение к электрическим сетям не менее, чем на 25%;

- увеличить рентабельность энергоисточника за счет увеличения числа часов установленной мощности;

В качестве основного оборудования для охлаждения воды до температуры от +5 до +12^оС как правило используются абсорбционные бромисто-литиевые холодильные машины. Хладагентом является вода, абсорбентом - нелетучий и нетоксичный водный раствор бромистого лития. Все процессы в АБХМ осуществляются в вакууме. Простота обслуживания, длительный срок эксплуатации (>25 лет), неподведомственность Ростехнадзору сочетаются с низким потреблением электроэнергии (от 2,5 до 4,5на 1000 кВт холода).

Источником энергии в машинах с одноступенчатой регенерацией раствора является водяной пар 0,1-0,15 Мпа или горячая вода 90-115^оС, в агрегатах с двухступенчатой регенерацией раствора используется пар среднего давления (0,5-0,8 Мпа) или газообразное, либо жидкое топливо.

Холодильный коэффициент (ХК) для машин с одноступенчатой регенерацией на уровне 0,7, с двухступенчатой регенерацией - 1,1.

Последние могут работать и в режиме нагрева с КПД ~87%.

АБХМ обоих типов выпускаются холодильной мощностью от 0,6 до 4 МВт заводом Теплосибмаш (г. Новосибирск).

Во всех агрегатах температура охлаждаемой воды 12/7^оС, температура охлаждающей воды 27/35^оС.

Естественной альтернативой АБХМ являются парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ), которые при данных температурах охлаждения и отвода тепла в окружающую среду имеют ХК~3.2-3.4.

Ниже приведены показатели топливопотребления для 6 схем раздельного и комбинированного производства тепловой, холодильной и электрической мощности (табл.2).

В качестве исходной базовой величины использована относительная холодильная нагрузка Q_хм в летнем режиме (0,57).

Эта величина получена из диаграмм потоков энергии для простейшего варианта генерации холода в одноступенчатой АБХМ, получающей сетевую воду с температурой 100-115^оС от котельной с относительным расходом топлива, равным 1.

В соответствии со значением относительной холодильной нагрузки (0,57) определены и все остальные параметры эталонного потребителя.

Каждый из вариантов энергоснабжения рассматривается в летнем и зимнем режимах.

Зимний режим позволяет оценить возможность использования предлагаемого оборудования при расчетной температуре наружного воздуха для отопления.

Выравнивание вариантов по объемам производства электроэнергии и тепла в летнем режиме осуществляется за счет довыработки электроэнергии на ГРЭС с кпд 37% и потерях ЛЭП - 15%, а также производства тепла в котельных с кпд 90% и потерях в сетях 10%.

Общий расход топлива по каждому варианту определяется как сумма расходов топлива непосредственно на установке плюс топливопотребление на замещающей ГРЭС и (или) РТС.

Схеме присущ наибольший общий расход топлива, который определяется в основном довыработкой электроэнергии на ГРЭС и транспортом ее до городских районов.

Схема применима при достаточно (>500 кВт) крупных холодильных нагрузках.

Схема имеет ряд технических преимуществ, которые могут обеспечить ее экономическую эффективность.

Подключаемая к энергосистеме электрическая нагрузка сокращается на (0,17/0,68) 25%. Снижение платы за присоединение сопоставимо с мощностью АБХМ.

Подключение АБХМ к тепловым сетям не потребует увеличения мощности теплоисточника и пропускной способности тепловых сетей. Требуемая тепловая мощность в зимнем режиме превышает тепловую нагрузку в летнем режиме всего лишь на 19%.

Подключение АБХМ увеличит число часов использования установленной мощности и объем реализации тепловой энергии.

Необходимые для работы АБХМ повышенные температуры сетевой воды в неотопительный период до 100-115^оС не ухудшат тепловую экономичность котлов, однако на относительно короткий период увеличат тепловые потери в теплопроводах. При этом будет иметь место подсушка тепловой изоляции в канальных теплопроводах, которая снизит их повреждаемость и тепловые потери в отопительный период.

Высокая температура обратной сетевой воды не отразится негативно на работе котельной, снизятся затраты на рециркуляцию котловой воды.

Повышение температуры подающей воды до 115^оС повысит требования к автоматике регулирования и безопасности систем горячего водоснабжения и в любом случае обеспечит выполнение нормативных требований к температуре горячей воды (75<t>60^оС).

Следует отметить, однако, что подача тепла на АБХМ в неотопительный период не должна иметь перерывов, связанных с ремонтом теплогенерирующего и теплосетевого оборудования.

Исходя из условий надежности теплоснабжения, целесообразно рассмотреть вариант автономной котельной. При этом расход тепла сократится с 1,0 до 0,9.

Традиционная схема 2 основана на использовании электроэнергии из энергосистемы и ПКХМ.

При затратах топлива 0,55, получаемая холодильная мощность составляет 0,57.

Очевидно, что по мере внедрения ПГУ энергетическая эффективность схемы 2 будет увеличиваться.

Схема 2 обеспечивает производство низко- и среднетемпературного холода, при необходимости может частично обеспечить нагрузку ГВС за счет утилизации тепла конденсаторов с подогревом воды до 30-35^оС.

Следует отметить, что на производство холода расходуется лишь 0,55 первичной энергии (25%), прочее - на производство электроэнергии.

Нулевой расход топлива в летнем режиме, тем не менее, не исключает необходимости подвода топлива для зимнего режима.

Наличие холодильной нагрузки обусловит увеличение летней электрической нагрузки сверх зимнего максимума. Плата за дополнительное подключение крупных агрегатов может кратно превосходить стоимость ПКХМ в расчете на 1 кВт холодильной мощности. В зимнем режиме дополнительная электрическая нагрузка и ПКХМ не используются.

В схеме 3 задействована АБХМ с генератором высокого и низкого давления. Высокий ХК (до 1,1) в этих установках обеспечивается за счет двухступенчатой десорбции хладагента из абсорбента.

Энергетическая эффективность производства холода в схеме 3 практически равноценна схеме 2, а экономическая предпочтительность определяется отсутствием затрат на присоединение дополнительной электрической нагрузки и возможность использования установленного холодильного оборудования в режиме теплогенератора в зимнем режиме. При том же расходе топлива (0,518) можно получить до 0,45 единиц тепла, что сокращает затраты в необходимые для зимнего режима теплогенерирующие мощности.

В схеме 4 задействована теплофикационная ТЭЦ ГПА с электрическим КПД ~42% и общим коэффициентом использования топлива 80%, а также АБХМ с холодильным коэффициентом 0,7.

В схеме отсутствуют тепловые сети и, соответственно, тепловые потери в них.

Схема обладает высокой эффективностью, однако трудно реализуема из-за низкой температуры греющей воды после рубашки охлаждения ДВС (<95^оС), высокой температуры обратной воды после генератора АБХМ и сложности выдачи избыточной электрической мощности в энергосистему.

50% тепла от ГПА (выхлопные газы) имеют температуру ~450^оС и именно это тепло используется в АБХМ.

Во избежание производства избыточной электрической мощности в схеме 4 ГПА ограничена величиной 0,51. Для компенсации тепловой мощности, необходимой для работы АБХМ, потребуется установка дополнительного теплогенератора мощностью около 0,29 с подводом к нему топлива в размере до 0,32. Общий расход топлива составляет 1,53.

Наличие двух потоков сбросного тепла от ГПА с существенно разными температурами (<95^оС и >450^оС) обуславливает возможность комбинаций АБХМ различного типа. Оптимизация этих схем выходит, однако, за пределы данной работы.

Схема 5 предусматривает использование ГТУ с внутренней регенерацией (типа Mercury 50) с КПД `40% и АБХМ с двухступенчатой регенерацией раствора. Достаточно высокая температура газов после ГТУ (~360^оС) позволяет использовать весь поток сбросного тепла для производства холода с высоким ХК. Эта схема обеспечивает производство необходимой электрической и холодильной мощности при минимально возможных расходах топлива.

Использование обычной ГТУ с электрическим КПД ~30-32% и температурой отходящих газов ~500^оС при производстве необходимой холодильной мощности не обеспечивает необходимой электрической мощности и требует подвода мощности из энергосистемы и энергетически менее эффективна.

В схеме 6 рассмотрена возможность и энергетическая целесообразность присоединения к тепловым сетям ТЭЦ общего пользования с турбоагрегатами Т-250-240.

В неотопительный период в тепловых сетях поддерживается температура подающей сетевой воды на уровне 70-77^оС. Электрическая мощность агрегатов в этот период составляет ~70% от номинала.

Сопоставлена энергетическая эффективность двух конкурирующих вариантов обеспечения холодильной нагрузки.

Вариант 6 предполагает повышение температуры сетевой воды от ТЭЦ до ~110^оС с использованием АБХМ-Вн.

Как известно, при температуре греющей воды ~75^оС холодопроизводительность агрегатов типа АБХМ-Вн падает вдвое, что практически удваивает необходимые капиталовложения и исключает возможность экономического обоснования подобной схемы.

Вариант 6а предполагает сохранение режима работы ТЭЦ и обеспечение холодильной нагрузки с использованием ПКХМ.

Принято, что даже в отдаленной перспективе тепловая нагрузка АБХМ не превысит 10% от нагрузки горячего водоснабжения большого города.

Для расчета были использованы следующие данные диаграммы режимов турбоблока Т-250-240 при давлениях в отборе, соответствующим температурам 80 и 110^оС.

Повышение давления в отборе обуславливает снижение общего и электрического КПД энергоблока.

Как видно из диаграмм потоков энергии, необходимость производства дополнительного количества тепла в размере 0,81, определяет в варианте 6 и дополнительное производство электроэнергии, хотя и со сниженным КПД.

Для выравнивания условий по варианту 6 и 6а, к последнему должен быть присоединен расход топлива на производство недовыработки электроэнергии.

В=(10-9,27)/(0,37*0,85)=2,32,

а также расход топлива для производства холода

В=0,57/3,3/(0,37*0,85)=0,55

Итого, величина ?В в варианте 6а составляет 28,1+2,32+0,55?31,0 и меньше, чем в варианте на 1,2 единицы топлива.

Это обусловлено ухудшением режима работы ТЭЦ из-за характеристик малой доли потребителей.

В действительности энергетические потери будут выше из-за разницы в числах часов использования присоединенной нагрузки горячего водоснабжения в неотопительный период (~3400) и холодильной нагрузки (<500 ч).

Ежегодное прекращение теплоснабжения как минимум на 10 суток в неотопительный период вряд ли стимулирует владельцев АБХМ к присоединению к крупным теплофикационным системам.

В условиях большого города существующий и перспективный жилой фонд не может рассматриваться как массовый объект централизованного холодоснабжения, в том числе на основе тригенерации.

Наиболее перспективным для обустройства автономных систем комбинированного производства холода, тепловой и электрической энергии являются вновь строящиеся крупные торгово-административные комплексы и другие сооружения с мощными системами кондиционирования воздуха.

При характерных для вышеуказанных объектов соотношениях тепловой, электрической (без учета ПКХМ) и холодильной нагрузок как 1,0;0,5 и 0,55, наибольшую энергетическую эффективность имеют схемы с ГПА и ГТУ, которые и предлагаются к дальнейшей проработке на конкретных вновь строящихся комплексах.

При выборе основного оборудования следует исходить из необходимости покрытия расчетной холодильной нагрузки, целесообразности обеспечения всей электрической нагрузки, возможности круглогодичного использования предлагаемого к установке оборудования.

В условиях дефицита природного газа в районах строительства новых комплексов и отсутствия ограничений на присоединение к электрическим сетям, могут найти применение и другие схемы энергоснабжения. Решающее значение имеет плата за присоединение к электрическим сетям, а также соотношение цен на холодильную мощность на АБХМ и ПКХМ.

Использование АБХМ при повышении температуры сетевой воды от ТЭЦ с ПТУ типа “Т” не приводит к энергетическому эффекту.

Размещено на Allbest.ru