Предельно неэффективный коэффициент преобразования ТНУ в теплофикационных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предельно неэффективный коэффициент преобразования ТНУ в теплофикационных системах

Батухтин Андрей Геннадьевич

Кобылкин Михаил Владимирович

Риккер Юлия Олеговна

В России можно выделить несвойственное западным системам теплоснабжения направление развития технологии тепловых насосов (ТН), которое в перспективе позволит вывести ТН из разряда технологий для частных домов в разряд универсальной технологии для большинства потребителей России.

Направление включает в себя адаптацию ТН для их использования при совершенствовании существующих систем централизованного теплоснабжения.

Традиционно считается, что ТН эффективен при коэффициенте преобразования (COP) > 2, 5 [6]. Данное выражение легко проверить. Допустим КПД КЭС ? 40%, следовательно, на выработку 1 кВт электроэнергии будет затрачено 1/з=1/0, 4=2, 5 кВт теплоты топлива.

Таким образом, ТН как бы «возвращает» теплоту, первично затраченную на производство электроэнергии, и при превышении порога СОР в 2, 5 его работа становится энергоэффективной.

Для ТЭЦ эффективность ТН не столь очевидна, т.к. теплофикация, с термодинамической точки зрения, намного эффективнее раздельной выработки [3, 4], к тому же когенерация не позволяют непосредственно оценить эффективность ТН через КПД производства электроэнергии на ТЭЦ.

Данная особенность вызывает массу споров среди инженеров и ученых, результатом деятельности которых стало множество противоречивых данных об экономической целесообразности или нецелесообразности использования ТН совместно с ТЭЦ. Большинство склоняется к тому, что ТН заведомо неэффективны в теплофикационных системах.

Для получения конкретного ответа, на вопрос об эффективности ТН в системах централизованного теплоснабжения предлагается ввести понятие предельно неэффективного COP для рассматриваемой системы.

Под данным термином следует понимать такой COP, при котором внедрение ТН в систему теплоснабжения с ТЭЦ не приведет к изменению расхода топлива.

Условие предельной неэффективности ТН, для изолированной ТЭЦ, можно выразить следующим образом:

где: - расходы топлива на ТЭЦ соответственно при отсутствии и при наличии ТН в системе теплоснабжения.

Поскольку рассматриваемая ТЭЦ аналогична для обоих вариантов, то равенство расходов топлива будет определяться равенством расходов пара (D) на турбины:

В общем виде, с определенными допущениями, равенство расходов пара можно расписать в виде баланса:

где: N - мощность, которую необходимо поддерживать для снабжения потребителя электроэнергией, H_i - располагаемый теплоперепад турбины, i_отб. - энтальпия пара, отбираемого на теплофикацию, i_к - энтальпия пара в конденсаторе, i_др. - энтальпия дренажа сетевой подогревательной установки (СПУ), Q_отп. - количество теплоты, отпускаемой со станции на нужды теплоснабжения, - необходимый прирост электрической мощности для покрытия нужд ТН,

- электромеханический КПД турбины и КПД теплообменного аппарата соответственно.

Допущения:

-на ТЭЦ установлены турбины типа Т, ПТ;

-вся теплота необходимая потребителю компенсируется ТН из автономного низкопотенциального источника теплоты;

-одноступенчатый подогрев сетевой воды;

-пренебрегаем высвобождением мощности вспомогательного оборудования тепловых сетей;

-на ТЭЦ имеется запас мощности для покрытия нужд ТН.

Упрощая равенство получим:

Поскольку в левой части равенства стоит значение обратное COP то предельный неэффективный СОР для данной системы:

Из полученного уравнения видно, что эффективность ТН при совместной работе с ТЭЦ в изолированной системе зависит только от параметров пара отбираемого на СПУ.

В общем случае, если высвобождаемой мощности, при закрытии теплофикационных отборов, достаточно только для покрытия нужд ТН, то в таком случает ТН можно считать предельно неэффективным.

Для условий Читинской ТЭЦ-1 предельно неэффективный COP = 4, 6.

Таким образом, установка ТН на Читинской ТЭЦ-1 со значением COP до 4.6 с целью теплоснабжения потребителей заведомо приведет к перерасходу топлива.

При этом любой проект с ТН, при котором не предусматривается высвобождение мощности за счет сокращения расхода пара на теплофикацию также заведомо неэффективен.

Теоретически, достичь COP > 4, 6 на самом распространённом типе хладагента R134a возможно при разности температур между испарителем и конденсатором ТН (Дt) < 35°С [1]. К примеру, при температуре холодного источника более 20°С и температурой на выходе ниже 54, 9°С (рис. 1).

Рис. 1. - Анализ цикла ТН с COP близким к 4, 6.

тепловой насос централизованный теплоснабжение

Учитывая данную особенность, можно сделать вывод, что большинство технологических решений внедрения ТН непосредственно в технологические схемы Читинской ТЭЦ-1 будут иметь эффективность ниже заявленной, либо будут не эффективны, поскольку их работа связана с поддержанием температур порядка 70 °С на выходе из ТН, что невозможно при COP > 4, 6.

К примеру, наиболее распространенная технология - использование теплоты охлаждающей воды конденсатора турбоустановки предполагает температуру низкопотенциальной части близкой к 20°С. При учете предельно неэффективного COP данная технология позволит эффективно компенсировать менее 50% нагрузки ГВС, а зимой позволит обеспечить только подогрев подпиточной воды тепловой сети.

Снизить предельно неэффективный COP и обеспечить полную компенсацию тепловой нагрузки ТЭЦ возможно при использовании вторичных тепловых ресурсов ТЭЦ для теплоснабжения потребителей, оборудованных ТНУ. Данный подход предполагает исключение тепловых потерь в тепловой сети.

Поскольку имеется связь между отпущенной теплотой со станции, потребленной теплотой и энергоэффективностью тепловой сети, то предельно неэффективный COP для потребителя можно выразить как:

где: Q_потр.- количество потребленной теплоты,

- коэффициент энергоэффективности тепловой сети.

Для условий теплосетей г. Читы предельно неэффективный COP для потребителя составит 4, 6·0, 71=3, 27

COP > 3, 27 для потребителя, возможно получить при Дt < 45°С. К примеру при температуре холодного источника выше 15°С и температурой на выходе 60°С [1].

Учитывая вышеизложенное, максимальный эффект от внедрения ТН возможно получить в межотопительный период для компенсации нагрузки ГВС при использовании ТН у потребителя и переводе ТЭЦ в конденсационный режим, с организацией отвода части теплоты от конденсатора в теплосеть. При этом теплосеть возможно охладить до 20°С исключая ухудшение вакуума турбины.

Наиболее рационально при этом использовать разработку ЗабГУ с утилизацией избыточного тепла помещений, обеспечивая тем самым тригенерацию на базе стандартной системы теплоснабжения с использованием промышленно выпускаемых парокомпрессионных ТН [2, 5].

Список литературы

1. CoolPack version 1.50. URL: http://www.ipu.dk/English/IPUManufacturing/Refrigeration-and-energy-technology/Downloads/CoolPack.aspx/

2. Батухтин А.Г. Универсальная система компенсации нагрузки горячего водоснабжения с использованием ТНУ / А.Г. Батухтин, М.В. Кобылкин, П.Г. Сафронов // APRIORI. Cерия: Естественные и технические науки. - 2016. - № 2. - С. 27.

3. Ильин Р.А. Комплексная оценка эффективности комбинированных теплоэнергетических установок / Р.А. Ильин, А.К. Ильин // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. -Саратов: СГТУ, -2009. -С.233-241.

4. Кобылкин М.В. Сохранение и развитие когенерации в условиях действующей политики «котельнизации» теплоэнергетической отрасли / М.В. Кобылкин М.В., Ю.О. Риккер // Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов XVI международная научно-практическая конференция: в 3 частях. - 2016. - С. 164-168.

5. Кобылкин М.В. Тепловые насосы в комплексе «ТЭЦ-потребитель». Повышение энергетической эффективности административных зданий / М.В. Кобылкин // Nauka-Rastudent.ru. - 2016. - № 3. - С. 41. -23

6. Чемеков В.В. Система теплоснабжения автономного жилого дома на основе теплового насоса и ветроэлектрической установки / В.В. Чемеков, В.В. Харченко // Теплоэнергетика. -2013. - № 3. - С. 58.

Размещено на Allbest.ru