Опыт утилизации низкопотенциального тепла с использованием абсорбционного теплового насоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Опыт утилизации низкопотенциального тепла с использованием абсорбционного теплового насоса

М.т.н. Н. Талцис, председатель правления,

м.э.н. А. Церс, руководитель ТЦ «Иманта»,

С. Плискачев, инженер-теплотехник, АО «Ригас Силтумс»;

д.т.н. Э.Дзелзитис, профессор,

д.т.н. Д. Турлайс, профессор, Рижский технический университет

г. Рига, Латвия

Введение

Прошло почти два года с того момента, когда в журнале НТ [1] было рассказано о планах АО «Ригас Силтумс» (АО «Rigas Siltums») установить абсорбционный тепловой насос (ТН) для утилизации тепла охлаждающей технологической воды когенерационного энергоблока теплоцентрали «Иманта» (Imanta). Поставленная цель повышения энергоэффективности когенерационного энергоблока достигнута. Приобретенный опыт развеял мифы и опасения и подтвердил на практике методику подбора оборудования, подходящего климатическим условиям Латвии.

История реализации проекта

Теплоцентраль «Иманта» была введена в эксплуатацию в 1974 г для обеспечения тепловых нагрузок потребителей Рижского левобережья реки Даугава. До реконструкции производство тепловой энергии обеспечивали три водогрейных котла КВГМ-100 единичной мощностью 116 МВт и два паровых котла ДКВР-20-13/250 единичной мощностью 16 МВт. Мощность установленного при реконструкции теплоцентрали когенерационного энергоблока [2] составляет 48 МВт (электрическая) и 48 МВт (тепловая). Во время отопительного сезона водогрейные котлы работают параллельно с оборудованием энергоблока, а в летний период находятся в состоянии резерва.

После установки когенерационного энергоблока дальнейшие усилия в повышении энергоэффективности теплоцентрали были сосредоточены на внедрении теплонасосных технологий. Источником утилизируемого тепла были выбраны градирни открытого типа (рис. 1), охлаждающие технологическую воду энергоблока (из системы охлаждения масла турбин и газового компрессора).

Реализованный проект позволяет утилизировать низкопотенциальное тепло в объеме 2 МВт и тем самым предотвратить его потери в атмосферу или в дренажную канализацию. В то же время технологический процесс абсорбционного теплового насоса требует подведение высокопотенциальной тепловой энергии (3 МВт), что обеспечивается паровым котлом, установленным на теплоцентрали для собственных нужд.

Общие затраты на реализацию проекта составили 696,7 тыс. евро. С учетом нынешнего высокого уровня цен на природный газ в Латвии и планируемой ежегодной экономии его потребления в объеме 842 тыс. м³, проект предполагается окупить в течение трех лет. Повлиять на снижение срока окупаемости могут государственные планы по введению акцизного налога на природный газ. Реализованный проект позволяет ежегодно дополнительно экономить около 1580 эмиссионных квот CO₂, а также снизить потребление химически подготовленной воды как минимум на 30%.

Следует отметить, что описываемая в статье теплонасосная установка (рис. 2) признана самым инновационным техническим проектом 2010 г. в Латвии.

Принципы подбора типа тепловых насосов

При подготовке проекта рассматривались две различные теплонасосные технологии: с применением компрессорных и абсорбционных ТН. Их принципиальное различие - вид подводимой движущей энергии: электрическая и тепловая соответственно. Использование электроэнергии ТН неизбежно повлекло бы за собой снижение ее полезной выработки когенерационным энергоблоком. Потребляемая электрическая мощность компрессорного ТН в зависимости от реальных температур обратной сетевой воды в среднем составит 500-600 кВт. В связи с тем, что для повышения потенциала тепловой энергии компрессорный ТН использует только электрическую энергию, количество отводимой в тепловую сеть тепловой энергии будет меньше, чем при установке абсорбционного ТН. В зависимости от охлаждающей мощности отводимая от компрессорного ТН в сеть тепловая мощность составит около 2,2-2,5 МВт (1,9-2,15 Гкал/ч). В свою очередь для приведения в действие абсорбционного ТН необходима большая мощность источника высокопотенциальной тепловой энергии - около 3 МВт (2,58 Гкал/ч). Это означает, что от абсорбционного ТН передаваемая в сеть тепловая мощность составит около 5 МВт (4,3 Гкал/ч), т.е. в два раза больше чем от компрессорного ТН.

При использовании компрессорного ТН может возникнуть проблема обеспечения процесса охлаждения в условиях повышенных температур обратной сетевой воды. Необходимо применение турбокомпрессионных установок с дополнительным охлаждением, что влечет за собой существенное удорожание оборудования и увеличение эксплуатационных затрат.

В случае, когда потребителям не требуются большие объемы тепловой энергии, возможности утилизации низкопотенциального тепла сильно ограничены. При низких сетевых нагрузках предпочтительнее использовать компрессорный ТН, а, следовательно, теоретически годовое число часов работы ТН такого типа может быть большим по сравнению с абсорбционным ТН. При базовых тепловых нагрузках это преимущество сводится к минимуму.

Эксплуатационные затраты теплонасосной системы включают в себя затраты на энергию, персонал и обслуживание. У компрессорных ТН сравнительно высоки затраты на потребляемую электроэнергию.

Производство энергии для приведения в действие абсорбционного ТН осуществляется с такими же затратами, как и производство тепла на других котлах (при условии, что применяемое топливо и энергоэффективность котлов одинаковы). Принимая во внимание тот факт, что это тепло только «пересекает» ТН перед попаданием в теплосеть, получается, что движущая энергия не требует дополнительных затрат.

Следует отметить, что режимы работы обеих рассматриваемых теплонасосных систем полностью автоматизированы. Функция оперативного персонала заключается в контроле их деятельности. Компрессорные установки требуют большего внимания в связи с общей инертностью технологического процесса. Планируемые затраты на техническое обслуживание тоже отличаются - компрессорные ТН используют масло, которое необходимо заменять и пополнять. Имеет место также утечка охлаждающей жидкости (согласно гарантии в пределах 1% в год).

В абсорбционных установках несколько небольших вспомогательных насосов являются единственными движущимися составными элементами. Следовательно, затраты на техническое обслуживание минимальны. Возникающие ошибки легко устранимы, что уменьшает убытки при простое оборудования. При этом не надо забывать, что абсорбционная установка является полностью замкнутой.

В нашем случае температура утилизируемого низкопотенциального тепла достаточно высока (45-55 ^ОС). С точки зрения энергоэффективности это является позитивным моментом, и в то же время вызывает определенные трудности. При такой температуре утилизируемого тепла в компрессорных ТН необходимо использовать другое рабочее тело - более дорогое и обладающее, к тому же, так называемым парниковым эффектом, а также использовать более мощный, и, естественно, более дорогой компрессор. Напротив, в абсорбционном ТН в этом случае может применяться традиционное рабочее тело (раствор бромида лития).

Можно сделать вывод, что применение процесса абсорбции в данном конкретном случае обладает рядом неоспоримых преимуществ. В результате после тщательной оценки, учитывая, что в отопительный период большое количество тепловой энергии вырабатывается с помощью водогрейных котлов, было принято решение об установке абсорбционного ТН.

Затем были рассмотрены три варианта подключения.

В первом варианте предполагалось для нужд абсорбционого ТН использовать перегретую воду из контура теплоснабжения котла-утилизатора когенерационной установки. При рассмотрении данного варианта было констатировано, что в различных режимах работы установки (особенно при неполной нагрузке), температура и степень перегрева существенно меняются. Также нерешенным оставался вопрос обеспечения необходимого перегрева в случае остановки когенерационного блока или недостаточно высоких для охладительного процесса температур.

Во втором варианте предполагался отбор пара из турбины. При рассмотрении данного варианта были отмечены следующие риски:

¦ возможна ситуация, когда паровая турбина не разогрета или находится в переходном режиме эксплуатации;

¦ теоретически возможно загрязнение водяной системы котла-утилизатора рабочим телом ТН (раствором бромида лития) или сетевым теплоносителем;

¦ одновременно с увеличением количества отбираемого пара снижается выработка электроэнергии.

В третьем варианте рассматривалась возможность обеспечения абсорбционого ТН паром от котла, предназначенного для собственных нужд теплоцентрали (рис. 3). В связи с тем, что в последнее время использование данного котла свелось к минимуму, именно этот вариант был признан наиболее целесообразным как с точки зрения снижения всех вышеупомянутых рисков, так и с точки зрения эффективности и обеспечения потребностей и резервов ТН.

Влияние режимов работы теплосети на эффективность теплового насоса

Для эффективной работы ТН большое значение имеет количество часов в году, когда температура обратной сетевой воды достаточно низкая и количество потребляемого пара невелико. На рис. 4 отображена почасовая динамика изменения температуры обратной сетевой воды на протяжении четырех лет. Следует отметить, что базовым для городского теплоснабжения г. Риги является температурный график 130/70 ^ОС (со срезкой 118/65 ^ОС при температуре наружного воздуха -15 ^ОС и ниже), а также то, что городские потребители в своих домах имеют возможность осуществлять регулировку температуры отопительной системы и ГВС. Два последних отопительных сезона прошли с нетипично низкими отрицательными температурами наружного воздуха, и количество часов, когда температура обратной сетевой воды превышала отметку 46 ^ОС, было достаточно большим.

тепловой насос абсорбционный компрессорный

Кроме того при температуре выше 50 ^ОС создаются определенные проблемы в работе конденсационного экономайзера, установленного ранее [3], т.к. достижение точки росы дымовых газов и утилизация латентного (скрытого) тепла заметно усложняется.

Почасовая динамика изменения температуры обратной сетевой воды отопительного сезона 2010-2011 гг. отображена на рис. 5.

По результатам эксплуатации абсорбционного ТН определено, что при утилизации низкопотенциального тепла технологической воды когенерационного энергоблока в размере 2 МВт передаваемая от ТН в сети суммарная тепловая мощность при температуре обратной сетевой воды 40 ^ОС составляет 4,4 МВт, при температуре 47 ^ОС - 5 МВт, а при максимальной температуре 63 ^ОС - 6,2 МВт. Если необходимо утилизировать меньшее количество тепла, количество требуемого пара пропорционально уменьшается. Проверка гарантированных параметров ТН проводилась при температуре обратной сетевой воды 47 ^ОС.

Визуализация технологического процесса установленного абсорбционного ТН показана на рис. 6, а основные технические параметры представлены в таблице.

Важные моменты проекта, определенные опытным путем

1. Необходимо вовремя и правильно расставить приоритеты, главным из которых является обеспечение надежного и качественного охлаждения когенерационного энергоблока или же получение наибольшего количества тепловой энергии, которую следует передать в теплосеть. В первом случае речь идет об охладителе, во втором - о ТН. Качественно обеспечить оба процесса одновременно не представляется возможным.

Оборудовать абсорбционным ТН проще когенерационные установки с охладителями технологических жидкостей закрытого типа. Это связано с тем, что крайне сложно предотвратить образование наледи на градирнях открытого типа в случае суровых зимних условий и при отводе большей части водяного потока в ТН. При температурах наружного воздуха ниже -10 ^ОС и при повышении температуры обратной сетевой воды для обеспечения процесса охлаждения необходимо подводить к ТН значительно большее количество тепловой энергии в виде пара. Количество потребленного пара при утилизации одинакового количества низкопотенциальной энергии при минимальной и максимальной температуре обратной сетевой воды отличается почти в 2 раза.

2. Важным моментом является определение оптимальной нагрузки ТН. В зависимости от режима работы когенерационной станции, теплонасосная установка может быть предназначена для работы только в отопительный сезон или также в летний период малых тепловых нагрузок. В летнее время, как и в периоды частичных тепловых нагрузок, рационально использовать отбор пара из турбины. В латвийском климате длительность отопительного сезона в среднем составляет около 5200 ч/год. Возможность обеспечить работу ТН с полной загрузкой за рамками отопительного периода выпадает крайне редко, т.к. обычно нагрузка когенерационного энергоблока в летний период составляет около 12% нагрузок отопительного сезона, а произведенное ТН тепло снижает выработку электроэнергии. Установленный на теплоцентрали «Иманта» ТН планируется использовать преимущественно в отопительный сезон.

3. У находящегося в постоянной работе абсорбционного ТН были определены значительные тепловыделения в окружающую среду. Проведенная термография ТН позволила улучшить его теплоизоляцию, благодаря чему была повышена эффективность работы оборудования, а также снижена до нормативных значений температура в помещении.

4. Наиболее чувствительным элементом проекта является цена на природный газ, повышение которой уменьшает срок окупаемости, и в нашем случае, учитывая нынешние высокие расценки, это крайне актуально.

Дальнейшие исследования

Как эффективное решение по снижению объемов потребляемого пара для обеспечения процесса утилизации низкопотенциального тепла в ТН при температурах наружного воздуха ниже -10 ^ОС и температурах обратной сетевой воды выше +47 ^ОС - возможно использование нагревателя воздуха, подаваемого в котел для обеспечения процесса горения. В нашем случае будет изучена возможность охлаждать обратную сетевую воду или технологическую воду когенерационного энергоблока при помощи стандартных нагревателей воздуха в двух воздуховодах котла КВГМ-100.

Цель проводимого исследования тем более актуальна, т.к. данный котел уже оборудован конденсационным экономайзером, в годовом разрезе дающим возможность работать с КПД около 100% (учитывая низшую теплоту сгорания природного газа). Данное мероприятие даст возможность снизить расход пара в среднем на 0,5 т/ч и повысить КПД котла на 0,5%, что при среднесезонной нагрузке 80-90 МВт является довольно заметной величиной.

В обозримом будущем полученный опыт планируется использовать и при реализации геотермальных проектов, что без понимания особенностей теплонасосных технологий не представляется возможным.

Литература

1. ТурлайсД., Жигурс А., ЦерсA., Плискачев С. Утилизация низкопотенциального тепла с использованием тепловых насосов для повышения эффективности комбинированной выработки энергии // Новости теплоснабжения. 2009. № 10.

2. Жигурс А., Церс A., Плискачев С. Опыт АО Ригас силтумс в реконструкции водогрейных котлов КВГМ-50 и КВГМ- 100 // Новости теплоснабжения. 2009. № 4.

3. Жигурс А., Церс A., Голуновс Ю., Турлайс Д., Плискачев С. Утилизация тепла дымовых газов на теплоисточниках г. Риги // Новости теплоснабжения. 2010. № 5.

4. Жигурс А., Турлайс Д., Сорочинс A., Церс A. Отношение между эффективностью и типом регулирования тепловой нагрузки в централизованном теплоснабжении г. Риги // Новости теплоснабжения. 2009. № 7.

5. Keil C., Plura S., Radspieler M., Schweigler C. Customized Absorption Heat Pumps for Utilization of Low-Grade Heat Resources.

6. Costa A., Neuhann V., Vaillancourt J., J.Paris Applications of Absorption Heat Pumps In The Pulp And Paper Industry For Incrased Efficiency And Reduction of Greenhouse Gas Effect, PAPTAC 90th Annual Meeting, 2004.

7. Roos C.J. An Overview of Industrial Waste Heat Recovery Technologies for Moderate Temperatures Less Than 1000 °F, 09.2009.

8. Boer D., Medrano M., Nogues M. Energy and Structural Analysis of An Absorption Cooling Cycle and the Effect of Efficiency Parameters, Int. J. Of Thermodynamics Vol. 8. № 4, 12.2005.

9. Kalogirou S., Florides G., Tassou S., Wrobel L. Design and construction of a Lithium Bromide Water Absorption Refrigerator, CLIMA 2000 / Napoli 2001 World Congress, 15-18.09.2001.

Размещено на Allbest.ru