Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможности производства электроэнергии в водогрейных котельных

К.т.н. Л. А. Репин, директор, Д.Н. Тарасов,

инженер, А.В. Макеева, инженер,

ЗАО «Южно-русская энергетическая компания», г. Краснодар

Опыт последних лет эксплуатации российских систем теплоснабжения в зимних условиях показывает, что нередки случаи нарушения электроснабжения источников тепла. При этом прекращение подачи электроэнергии в котельные может привести к серьезным последствиям как в самой котельной (остановка вентиляторов, дымососов, выход из строя автоматики и защиты), так и вне ее (замерзание теплотрасс, систем отопления зданий и т.п.).

Одним из известных и в то же время эффективных решений этой проблемы, для относительно крупных паровых котельных, является использование турбогенераторных установок, работающих на избыточном давлении пара, т.е. организация когенерации на базе внешнего теплового потребления [1]. Это позволяет не только увеличить эффективность использования топлива и улучшить экономические показатели источника тепла, но и, обеспечив его электроснабжение от собственного электрогенератора, повысить надежность работы системы теплоснабжения.

Применительно к коммунальной теплоэнергетике такое решение представляется нереальным, поскольку подавляющее большинство котельных являются водогрейными. В этом случае для повышения надежности практикуется установка на тепловом источнике дизель-генераторов, которые в случае аварии в системе электроснабжения могут обеспечить собственные нужды котельной. Однако это требует существенных

затрат, а коэффициент использования установленного оборудования приближается к нулю.

В данной статье предлагается другое решение этой проблемы. Суть его состоит в организации собственного производства электрической энергии в водогрейной котельной на базе осуществления цикла Ренкина, используя в качестве рабочего тела низкокипящее вещество, которое в дальнейшем будем называть «агент» [2].

Схемы электростанций с использованием низкокипящих рабочих тел достаточно известны и применяются, в основном, на геотермальных месторождениях с целью утилизации теплоты сбросных вод [3]. Однако основным их недостатком является низкий термический КПД цикла, что связано с необходимостью отвода теплоты конденсации агента в окружающую среду. В водогрейных котельных и в паровых котельных малой мощности (где другие варианты когенерации нецелесообразны) теплоту конденсации можно использовать для предварительного подогрева сырой воды, поступающей на ХВО или идущей в подогреватели ГВС в случае, если они установлены на источнике теплоснабжения. Принципиальная тепловая схема водогрейной котельной с интегрированной установкой по производству электроэнергии представлена на рис. 1.

турбогенераторный давление теплоноситель электростанция

Часть теплоносителя на выходе из водогрейного котла I отбирается и, последовательно проходя через испаритель II и подогреватель агента III, обеспечивает получение его в виде пара с параметрами, достаточными для использования в качестве рабочего тела в тепловом двигателе IV, соединенным с электрогенератором.

После завершения процесса расширения отработанный пар поступает в теплообменник-конденсатор V, где теплота конденсации утилизируется потоком холодной воды, идущей в установку ХВО или, как показано на рисунке, через дополнительный подогреватель VI и бак-аккумулятор VII в систему подачи воды на нужды ГВС.

Для практической реализации предлагаемой схемы необходимо рассмотреть несколько моментов.

1. Подобрать низкокипящее вещество (агент), которое по своим термодинамическим характеристикам вписывалось бы в режим работы и параметры котельной.

2. Определить оптимальные параметры режима работы теплосиловой установки и тепло-обменного оборудования.

3. Провести количественную оценку величины максимальной электрической мощности, которую можно получить для конкретных условий рассматриваемой котельной.

При выборе рабочего тела было проведено расчетное исследование цикла Ренкина для следующих агентов: R134, R600a, R113, R114, R600. В результате было установлено, что наибольшая эффективность цикла для его реализации в условиях водогрейной котельной достигается при использовании хладона R600.

Для выбранного таким образом рабочего тела был проведен анализ влияния на вырабатываемую мощность температуры перегрева пара (рис. 2а), давления пара на входе Pн (рис. 2б) и выходе Pк (рис. 2в) двигателя.

Из приведенных графиков следует, что рассматриваемые характеристики практически не зависят от температуры перегрева рабочего тела и улучшаются с возрастанием Pн и уменьшением Pк. В то же время увязка параметров когенерационной установки с режимом работы источника тепла показывает, что увеличение Pн ограничивается необходимостью обеспечить достаточную разность температур в испарителе между испаряющимся рабочим телом и греющим теплоносителем, т.к. температура последнего определяется режимом работы водогрейного котла.

Конечное давление Pк должно выбираться в зависимости от температуры конденсации агента, которая в свою очередь определяется температурным уровнем тепловоспринимающей среды (холодной воды) и необходимым температурным напором в конденсаторе.

Для конкретных расчетов предлагаемой схемы была выбрана котельная с тремя котлами ТВГ-8 с подключенной тепловой нагрузкой по отоплению 14,1 МВт и по горячему водоснабжению 5,6 МВт (зимний режим). В котельной имеется бойлерная установка, обеспечивающая подогрев горячей воды на нужды ГВС. Расчетная температура сетевой воды на выходе из котлов 130 ОC. Суммарная потребляемая мощность - до 230 кВт в отопительный период и до 105 кВт летом.

Значения параметров и расходов теплоносителей в узловых точках схемы, полученные в результате расчетов, приведены в таблице.

Электрическая мощность ЭГК в отопительный период составила 370 кВт, в летний 222 кВт.

При проведении расчетов расход рабочего тепла определялся, исходя из возможности по-

тока холодной воды обеспечить полную конденсацию агента. Различие в получаемой мощности в зимний и летний периоды работы источника тепла связано с уменьшением количества агента, которое может быть сконденсировано, из-за увеличения температуры холодной воды, поступающей в конденсатор (+15 ОC).

Выводы

1. Существует реальная возможность повысить энергоэффективность водогрейных котельных путем организации производства электроэнергии в установках, использующих низко-кипящее рабочее тело.

2. Величина электрической мощности, которая может быть получена при осуществлении когенерации, существенно превышает собственные нужды котельной, что гарантирует ее автономное электроснабжение. При этом отказ от покупной и реализация избыточной электроэнергии должны существенно улучшить экономические показатели источника тепла.

3. Несмотря на невысокие значения КПД цикла, в схеме практически отсутствуют потери подведенной теплоты (кроме потерь в окружаю-

щую среду), что позволяет говорить о высокой энергетической и экономической эффективности предлагаемого решения.

Литература

1. Репин Л.А., Чернин Р.А. Возможности производства электрической энергии в паровых котельных низкого давления //Промышленная энергетика. 1994. №6. С.37-39.

2. Патент 32861 (RU). Тепловая схема водогрейной котельной/Л.А. Репин, А.Л. Репин//2006.

3. Комбинированная геотермальная электростанция с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт// Российские энергоэффективные технологии. 2002. № 1.

Размещено на Allbest.ru