Проектирование, монтаж и эксплуатация установок возобновляемых источников энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. История образования «Паужетской ГеоЭС»

отопление теплоснабжение энергетика гидравлический

АО «Паужетская ГеоЭС» осуществляет производство и сбыт электроэнергии от Паужетской ГеоЭС и Озерновской ДЭС в изолированном Озерновском энергоузле Камчатского края. Основная электростанция Озерновского энергоузла - Паужетская ГеоЭС располагается на Камбальном месторождении парогидротерм, расположенном в юго-западной части Камчатского полуострова непосредственно в поселке Паужетка, находящимся в 300 км от г. Петропавловска-Камчатского. Общая площадь участка, занимаемого геотермальной станцией, составляет 1,9 га. Паужетская ГеоЭС является первой геотермальной электростанцией, построенной в России и введенной в эксплуатацию в 1966 году. В момент ввода геотермальной электростанции в эксплуатацию ее установленная мощность составляла всего 5 МВт, это были две турбогенераторные установки с конденсационными турбинами типа МК - 2,5 по 2,5 МВт производства «КТЗ» 1964 года выпуска и турбогенераторами типа Т2-2,5-2 производства «ЛТГЗ» 1964 года выпуска. Данная станция была экспериментальной, но уже к 1980 году ее установленная мощность составила 11 МВт. В 2006 г. закончилась реконструкция турбогенераторной установки ст. №1, в результате имеется установка мощностью 6 МВт с паровой турбиной типа ГТЗА-631 производства ОАО «Кировский завод» и турбогенератором типа Т-6-2УЗ производства АО «Привод» г. Лысьва. В начале 2009 г. была выведена из эксплуатации ТГ-2 (МК - 2,5) в связи с полным физическим износом и невозможностью дальнейшей эксплуатации в соответствии с нормативными требованиями. Установленная мощность Паужетской ГеоЭС составляет 12 МВт (6+6 МВт), располагаемая мощность 5,8 МВт лимитируется количеством поставляемого геотермального пара. Поставщиком рабочего тела - геотермального пара для Паужетской ГеоЭС является АО «Тепло Земли». В технологическом цикле подготовки геотермального теплоносителя задействовано 8 продуктивных скважин: №103; 108; 120; 122; 123; 131; ГК-3; РЭ-1, которые работают в пульсирующем режиме. На всех добычных скважинах установлены скважинные сепараторы.

Резервная станция - Озерновская ДЭС в составе двух энерговагонов с дизель-генераторными установками суммарной установленной мощностью 1,57 МВт, находится в 30 км от п. Паужетка, в п. Озерновский, на западном побережье Камчатки. Вводится в работу в период сезонных максимумов (период лова белорыбицы и лососевой путины - май-апрель, июль-август), во время ремонта ЛЭП-35 кВ и на время останова Паужетской ГеоЭС.

В настоящее время на Паужетской ГеоЭС реализуется пилотный проект создания бинарного энергоблока мощностью 2,5 МВт. Основной целью проекта является создание отечественной технологии по производству электроэнергии на геотермальных установках с бинарным циклом. Проект является практической реализацией энергосберегающего проекта с использованием сбросного сепарата Паужетского месторождения, его реализация решает также экологические проблемы ГУП «Камчатскбургеотермия» за счет предотвращения сброса отработанного сепарата на грунт. Успешная реализация пилотного проекта позволит, тиражируя данную технологию, расширить бизнес компании за счет реализации аналогичных проектов на низкотемпературных геотермальных месторождениях в Ставропольском крае, Курилах, Северном Кавказе.1 января 2006 года электростанция была выделена из состава ОАО «Камчатскэнерго» и начала операционную деятельность как самостоятельное юридическое лицо - ОАО «Паужетская ГеоЭС». С 28 декабря 2009 года ОАО «Паужетская ГеоЭС» входит в Холдинг ОАО «РусГидро»: ОАО «Геотерм» (ДЗО ОАО «РусГидро») владеет 100% обыкновенных именных акций ОАО «Паужетская ГеоЭС»

2. Принцип работы и устройство теплового насоса

Тепловой насос - это машина, которая способна перенести тепло из более холодной среды (воздух, земля, вода из общей сети, промышленные стоки) в более горячую (вода, воздух) с целью отопления или охлаждения. Тепловые насосы переводят низкотемпературную энергию в высокотемпературную энергию и обратно.

Передача тепла производится рабочим телом - хладагентом (фреоном). Электрическая энергия тратится лишь на перемещение хладагента по системе с помощью компрессора.

Принцип работы теплового насоса основывается на термодинамическом цикле Карно. Охлаждение и обогрев в тепловых насосах обеспечивается компрессионным циклом, то есть непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация - при высоком давлении и высокой температуре. В испарителе происходит отбор низкопотенциальной энергии у источника с относительно низкой температурой, а в конденсаторе - выделение «концентрированной» энергии в систему распределения тепла здания.

1. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов (рисунок 2.1). Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.

3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается.

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладагента через редукционный клапан - давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы - это экологически чистые компактные соле-водяные установки, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования тепла низкопотенциального источника (тепло грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунтовое тепло, тепло земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Теплонасосы оснащены циркуляционными насосами - как для контура рабочей жидкости, так и для водяного контура системы отопления. Для обеспечения оптимальной выработки тепла теплонасосы укомплектованы автоматизированной системой управления - при помощи датчиков температура в отопительной системе подстраивается под изменения наружной температуры.

Тепловые насосы используются в холодное время года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему.

Эффективность работы теплового насоса определяется соотношением полученной потребителями тепловой энергии к затраченной электрической и называется коэффициентом преобразования КОП. Основными параметрами, определяющими величину КОП являются температуры низкопотенциального источника (НИТ) и системы отопления или горячего водоснабжения. В качестве низкопотенциального источника теплоты может использоваться: речная и морская вода, грунтовые воды, вода очистных сооружений, технологические воды промышленности и непосредственно воздух и тепло земли.

Основными элементами теплового насоса являются: компрессор, конденсатор, испаритель, регулятор потока и клапан.

Компрессор теплового насоса всасывает парообразный хладагент, поступающий от испарителя, при низкой температуре и низком давлении, производит его сжатие, повышая давление, и направляет затем к конденсатору. В зависимости от условий работы теплового насоса, давление паров хладагента на выходе из компрессора может составлять 15 - 25 атм, а температура 70 - 90 ?С.

Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, который передает тепловую энергию от хладагента окружающей среде (воде или воздуху). Тепловая энергия, передаваемая хладагентом через конденсатор, складывается из тепла, поглощенного испарителем холодного контура, тепла, вырабатываемого компрессором при сжатии хладагента. Второй рабочей средой конденсатора помимо хладагента может служить окружающий воздух или жидкость.

Испаритель - теплообменник, который служит для охлаждения рабочей среды - воздуха или воды, то есть забирает энергию у низкопотенциального источника. Эти теплообменники подразделяются на испарители для охлаждения воды или жидкостей, содержащих антифриз, и для охлаждения.

Вентилятор обеспечивает обдув воздухом конденсатора и испарителя.

Регулятор потока служит для дозированной подачи жидкого хладагента из области высокого давления (от конденсатора) в область низкого давления (к испарителю).

Четырехходовый (реверсивный) клапан переключает направление потоков хладагента для изменения работы машины с режима обогрева на режим охлаждения и обратно.

В теплонасосной установке работают одновременно три независимых гидравлических контура: первый контур осуществляется в компрессоре за счет движения фреона; второй контур (низкопотенциальный) - связывает испаритель и низкопотенциальный источник теплоты (тепло грунта и т.д.); третий контур (высокотемпературный) - связывает конденсатор с системой отопления здания.

Тепловой насос осуществляет передачу внутренней энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой. Поскольку в соответствии со вторым основным законом термодинамики тепловая энергия без каких-либо внешних воздействий может переходить только с высокого температурного уровня на более низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи энергии в направлении, противоположным естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле.

Детально принцип действия парокомпрессионного фреонового теплового насоса (наиболее распространенного типа) проиллюстрирован на прилагаемой схеме (рисунок 2.1). В качестве промежуточного теплоносителя, посредника в передаче тепла от НПТ к ВПТ в тепловом насосе используют фреоны R12, R134a, R142 (последние два безопасные).

Рассмотрим работу ТН, следуя приведенному рисунку.

1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - компрессор; 4 - электропривод компрессора; 5 - регулирующий клапан

Структурная схема теплового насоса

Компрессор сжимает газообразный фреон, поступающий из испарителя (с давления в P₂=3 атм до P₁=16 атм), обеспечивая его конденсацию (при 65 ⁰С) для достижения необходимой температуры нагрева ВПТ (до 60 ⁰С). При сжатии в компрессоре газообразный фреон нагревается (до 80 ⁰С). Эта работа (W) сжатия газа идет на повышение энергии фреона, циркулирующего в тепловом насосе.

Конденсатор (теплообменник) предназначен для конденсации паров фреона. В конденсаторе:

- фреон охлаждается до температуры конденсации, отдавая часть тепловой энергии (Q₁);

- дальнейшее охлаждение паров фреона (обратной водой системы отопления) приводит к его конденсации (сжижению). При конденсации выделяется тепло (Q₂). Полученную энергию (Q₁+Q₂) используют для нагрева воды (с 40 ⁰С до 60 ⁰С) в системе теплоснабжения.

В дросселе давление жидкого фреона снижается до давления (P₂=3 атм), при котором возможно испарение фреона в испарителе (при Т = 0 ⁰С).

В испарителе (теплообменнике) жидкий фреон испаряется (при Т = 0 ⁰С). Для испарения требуется энергия. Эта энергия (Е) отнимается у охлаждаемой артезианской воды, так как ее температура (8 ⁰С) выше температуры (0 ⁰С) кипящего в испарителе фреона. Пары фреона поступают в компрессор. Цикл завершен.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространённый, парокомпрессионный. Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме представлен на рисунке 2.

1-2 сжатие в компрессоре

2-3 отвод тепла к потребителю

3-4 расширение через дроссель

4-1 подвод тепла от низкопотенциального источника.

Схема парокомпрессионного теплового насоса (ТН) и процесс в T-s диаграмме

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования энергии (КПЭ) теплового насоса - отношение теплопроизводительности к электропотреблению - зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 7, т.е. на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии.

Температурный уровень теплоснабжения от большинства типов распрастраненных тепловых насосов составляет 35-60°С. Однако при применении низкотемпературного теплоносителя с температурой порядка +30°С - +40°С и специальных хладоагентов (типа НТR -01) получен на выходе из конденсатора температурный уровень теплоносителя порядка до+85°С.

Теплонасосные установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2…2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. Применение теплонасосных установок - это и сбережение невозобновляемых энергоресурсов, и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО₂ (парникового газа) в атмосферу. Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило, создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. Это одно из важнейших пересечений техники низких температур с энергетикой.

Теплонасосные установки целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города). Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Важнейшая особенность теплонасосных установок - универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными.

Еще одно преимущество теплонасосных установок - широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Для сопоставления эффективности тепловых насосов и традиционных генераторов теплоты, например котельных, а также сравнения тепловых насосов разных принципов действия, например парокомпрессионного с приводом компрессора от электродвигателя и абсорбционного, потребляющего тепловую энергию, применяют обобщенный критерий - коэффициент использования первичной энергии К. Он определяется как отношение полезной теплоты теплового насоса к теплотворной способности израсходованного топлива (7 Гкал на 1 т условного топлива; 1 Гкал = 4,1868-10⁹Дж).

Парокомпрессионные тепловые насосы с приводом от теплового двигателя, например от газовой турбины или дизельного двигателя, оказываются более экономичными. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35%, при работе в составе теплового насоса может быть утилизирована и направлена в общий поток среды, нагреваемой тепловым насосом, большая част потерь, которые воспринимаются смазкой, охлаждающей двигатель жидкостью и выхлопными газами. В результате коэффициент использования первичной энергии привода возрастает в 1,5 раза, а экономичность теплового насоса обеспечивается при Е > 2,0.

В тепловых насосах абсорбционного типа вместо компрессора с механическим приводом используют систему, которую называют «термокомпрессор». Ее преимущество - возможность использования тепловой энергии.

3. Источники теплоты для тепловых насосов

Применение тепловых насосов всегда требует не только затрат энергии на привод, но и дополнительных источников теплоты. Особый интерес представляют источники теплоты для тепловых насосов в тех случаях, когда рассматриваемые источники не могут использоваться обычными способами, т.е. температура которых ниже 55 ⁰С. К таким источникам теплоты относятся отобранная теплота и энергия окружающего пространства.

Окружающая среда представляет интерес как источник энергии тогда, когда его температурный уровень незначительно отличается от температуры, нужной потребителю, что, например, характерно для воздушного отопления помещений. Здесь в зависимости от времени года требуемая температура воздуха в помещении и источника энергии из окружающей среды обычно отличаются не более чем на 10-15 К, а в исключительных случаях - до 35 К.

Энергетический уровень окружающей среды зависит от места и времени. Содержание энергии в окружающем нас пространстве определяется главным образом солнечной радиацией, а так же геотермальной энергией и в значительной степени энергией отходящего тепла в результате преобразования энергии твердого и ядерного топлива. Часть солнечной энергии, попадающей на землю, в результате биологических процессов преобразуется в химически связанную энергию, которая затем постепенно в процессе сгорания выделяется в виде теплоты в окружающую среду. В качестве поглотителя потока энергии, излучаемого окружающей средой, выступает холодное, не отражающее энергию космическое пространство.

Источником энергии из окружающего пространства (энергоносителями) служат почва, грунтовые и поверхностные воды, воздух, растения и постройки. Температурное поле окружающей среды неоднородно по месту и времени как вне, так и внутри источников энергии. Такое неоднородное температурное поле возникает из-за дифференцированного распределения солнечной радиации на поверхности земли, зависящей не только от географических, но так же от различных атмосферных условий, особенно от облачности и атмосферных разрядов. Затененность, вызванная растениями и постройками, атмосферные течения и различные препятствия распространению теплового потока повышают неоднородность температурного поля. В зависимости от наличия препятствий распространению теплоты годовые и суточные колебания облучения и излучения поверхности земли в большой или меньшей мере влияют на источники энергии окружающей среды. Так же неравномерно поступает в окружающую среду отработанная теплота процессов преобразования энергии, что особенно заметно в промышленных зонах, городах и на электростанциях.

С помощью тепловых насосов можно использовать существующую повсеместно энергию окружающего пространства, прежде всего в целях отопления помещения. Однако эффективное использование тепловых насосов предусматривает учет целесообразных условий эксплуатации, связанных с температурным полем источников энергии.

Окружающий воздух весьма чувствителен к суточным и годовым температурным колебаниям, другие же источники энергии в зависимости от сопротивления ее распространению могут значительно слабее реагировать на эти факторы или вообще не ощущать их влияния. Таким образом, температурный уровень энергии окружающей среды зависит от различных внешних условий, влияющих друг на друга. При применении тепловых насосов не стремятся к непосредственному использованию энергии окружающей среды, являющейся малоэффективным источником, а стараются использовать источники с высоким температурным уровнем, чтобы достичь высокого коэффициента преобразования благодаря небольшой разности температур между источником тепла и теплоносителем установки.

Энергия глобального пространства и, соответственно, местной окружающей среды создается в основном двумя потоками энергии: солнечной радиацией и отработанной теплотой. Температурный уровень этих двух потоков при входе в пространство превышает температуру местной окружающей среды, поэтому рекомендуют использовать эти два потока энергии с температурным уровнем, превышающим температуру местной окружающей среды, для работы тепловых насосов, прежде чем их температура сравняется с окружающей средой.

Поскольку потребность в теплоте по времени не всегда соответствует количеству теплоты, имеющемуся в окружающей среде и доставляемому от высокотемпературных источников теплоты, целесообразно для уменьшения несоответствия применять низкотемпературные аккумуляторы. Использование таких аккумуляторов позволяет при относительно небольших потерях теплоты создать высокотемпературный тепловой источник, который можно использовать с высоким коэффициентом преобразования в необходимый момент и обеспечить периодический режим эксплуатации во время пиковых нагрузок.

Исходя из вышеизложенного, для улучшения условий использования энергии окружающей среды с применением тепловых насосов рекомендуется:

использовать местные высокотемпературные источники энергии (например, грунтовые и поверхностные воды, грунт на определенной глубине);

использовать внешние высокотемпературные потоки энергии перед выравниваем их температуры с температурой окружающей среды (например, солнечную радиацию с помощью коллекторов и абсорберов, отработанную теплоту с помощью теплообменников);

- аккумулировать и периодически использовать высокотемпературные источники окружающей среды в низкотемпературных аккумуляторах (например, сдвинутое по фазе использование грунтовых вод, грунтовых аккумуляторов, аккумуляторов сбросной воды).

Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную температуру +9 - + 14 ^оС. В этом их преимущество. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощности теплового насоса остается высоким в течение всего года. К сожалению, не везде имеется достаточное количество грунтовых вод надлежащего качества. Но там, где выполняются необходимые условия, грунтовые воды стоит использовать.

В случае грунтовых вод, не содержащих кислорода, и с высоким содержанием железа и марганца колодцы могут разрушаться. В этих случаях нельзя допускать контакта грунтовых вод с окружающим воздухом, или необходимо соответствующим образом обработать воду (VDI 4640).

Качество воды в общих чертах должно соответствовать приведенным предельным значениям, различающимся в зависимости от материалов, используемых в теплообменнике: нержавеющая сталь (1.4401) и медь. Если соблюдаются эти предельные значения, то, как правило, можно ожидать, что при эксплуатации колодцев не будет каких-либо проблем.

Трубы горизонтальных теплообменников размещают в траншеях. Размещение труб в траншее обычно выполняется двумя основными способами: прямые и свитые в спираль трубы. В жизни существуют и другие, иногда довольно экзотические, способы, например, трубопроводы, прикрывают сверху медными пластинками (copper fins) - видимо для улучшения теплообмена. Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем (рис. 4). Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Как правило, устанавливается промежуточный

разборный теплообменник. Забор и возврат воды должны осуществляться в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить «байпасирование» воды. Заборная магистраль должны быть с обратным клапаном (4), располагаемым в точке забора или после глубинного насоса (5). Подвод и отвод грунтовых вод к тепловому насосу должен быть защищен от замораживания и прокладывается с наклоном в сторону скважины.

Расстояние между заборной (2) и возвратной (1) скважинами должно быть не менее 5 м. Точка выхода воды в возвратной скважине должна быть ниже уровня грунтовых вод.

Подземные воды, так же как и поверхностные слои земли, могут быть использованы в качестве источника тепла для индивидуальных домов, многоквартирных зданий и районных котельных. Температура подземных вод обычно является постоянной на глубине 15-20 м, и для большинства климатических регионов Республики Казахстан составляет 6-10°С.

Для извлечения тепла подземных вод используются обычные методы бурения скважин диаметром 10-20 см, глубиной 50-150 м.

Как и при использовании озерной воды, применяются два различных принципа сбора тепла. В одном случае замкнутая трубопроводная система опускается в скважину. В таком коллекторе циркулирует теплоноситель, который извлекает тепло из подземной воды и переносит его в испаритель теплового насоса.

Для небольшого теплового насоса мощностью около 10 кВт, который может использоваться для индивидуальных домов, требуется расход подземного потока около 1-2 м³/час (в зависимости от температуры).

В другом варианте подземная вода закачивается непосредственно в испаритель, и после охлаждения сбрасывается в специальную скважину, достаточно далеко от места забора, чтобы исключить охлаждение источника подземной воды.

При использовании грунтовых и подземных вод в качестве источника низко потенциального тепла для ТСТ необходимо учитывать риск нарушения их гидрологического и экологического баланса.

Возможности использования тепловых насосов на грунтовых и подземных водах ограничены территориями, где температура этих вод меньше +4,5°С.

На использование грунтовых вод должно быть получено разрешение соответствующего ведомства (обычно службы госводонадзора). Для использования тепла грунтовых и подземных вод необходимо построить колодец и дренаж. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла. В этом случае следует предусмотреть промежуточный контур.

При проектировании зданий и сооружений с применением энергосберегающих технологий, в том числе с применением тепловых насосов, использующих теплоту ВЭР и нетрадиционных источников энергии, необходимо рассматривать объект как единое целое.

ТСТ проектируются для каждого конкретного объекта в зависимости от энергетических нагрузок, почвенно-климатических условий района строительства и стоимости энергоносителей

Размещено на Allbest.ru