Рассматриваются вопросы повышения энерогоэффективности систем централизованного теплоснабжения на основе использования избыточного магистрального давления, традиционно теряемого на дросселирующих устройствах. Представлены методология и способ трансформации избыточного давления теплоносителя в электрическую энергию.

ВВЕДЕНИЕ

Современный мегаполис не может обходиться без развитой системы централизованного теплоснабжения, которая с точки зрения термодинамической эффективности является самой предпочтительной в современных условиях [1].

Известно, что Российская Федерация является самой холодной страной в мире.

На рис. 1 представлено изменение значений интегральной годовой оценки температуры воздуха по всей территории России, составленное Гидрометцентром по результатам наблюдений в течение 20-го столетия [2]. Очевидно, что среднегодовая температура на территории РФ колеблется от --2 до --6 °С.

В этой связи повышение энергоэффективности и надежности теплоснабжения для нашей страны всегда будет являться первоочередной задачей.

Более надежная и эффективная работа отдельных элементов и оборудования этих систем неразрывным образом связана с решением задач энергосбережения.

Все решения напрямую связаны, в том числе, с рачительным использованием и сокращением потерь тепловой и электрической энергии.

Решение задач минимизации потерь при транспортировке, распределении и потреблении тепловой энергии нашли свое отражение в федеральном законе об энергосбережении, реализация положений которого позволит существенно сократить неоправданные потери энергии, повысить качество предоставляемой услуги потребителю [3].

АНАЛИЗ ПОТЕРЬ МАГИСТРАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

При централизованном теплоснабжении потребитель обеспечивается тепловой энергией от одного источника -- тепловой станции, обслуживающей большое количество центральных тепловых пунктов (ЦТП), к которым подключены конечные пользователи -- жилые и административные здания (рис. 2.) Именно такая схема теплоснабжения характерна для подавляющего большинства систем теплоснабжения РФ. Для функционирования такого варианта теплоснабжения используется весьма разветвленная трубопроводная сеть, по магистральным и разводящим трубопроводам которой осуществляется подача теплоносителя потребителям. Движение теплоносителя в трубопроводных сетях осуществляется сетевыми насосами, устанавливаемыми на источниках выработки тепловой энергии (рис. 2).

Необходимая величина начального давления Р1 в трубопроводах определяется из условия гарантированного обеспечения уровня рабочего давления для самого удаленного потребителя, поэтому все потребители, находящиеся на более близких расстояниях к источнику энергии получают теплоноситель под избыточным давлением [4]. С целью защиты и гарантированного обеспечения работоспособности оборудования ЦТП, на каждом тепловом пункте устанавливается демпфирующее устройство (дроссель, редуцирующий клапан и др.), на котором осуществляется уменьшение входного магистрального давления (рис. 3).

теплоснабжение рекуперация электроэнергия трубопровод

На рис. 4 представлены результаты анализа потерь входного давления, осуществленного на примере работы 20 ЦТП двух районов тепловых сетей г. Москвы. Величина потребного (рабочего) давления, необходимая для нормального функционирования теплообменного оборудования и преодоления гидравлических сопротивлений, определяется как разница между давлениями «прямой» и «обраткой» составляет ДС =0,2 МПа.

Оценка потерь энергии теплоносителя должна обязательно осуществляться с учетом его расхода, значения которого существенно меняются в зависимости от сезонных и суточных нагрузок (рис. 5).

Таким образом, располагаемый (реальный) потенциал теряемой в результате дросселирования энергии, пропорционален произведению избыточного перепада теплоносителя на его суточный расход.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Для устранения потерь энергии, связанных с вышеуказанным дросселированием, учеными МЭИ(ТУ) и фирмы ЗАО «ОПТИМА» разработан способ преобразования (рекуперации) избыточного магистрального давления, обычно теряемого, в электрическую энергию. На основании этого способа разработана система рекуперации давления (СРД), принципиальная схема которой представлена на рис. 6. Принцип работы СРД заключается в следующем: весь поток теплоносителя, проходя через рабочее колесо (РК) гидротурбины и создавая на нем вращательный момент, теряет часть энергии, понижая давление магистрали до требуемых значений. Механическая энергия, полученная РК от теплоносителя, передается через вал на электрогенератор, который вырабатывает электрическую энергию. Для удобства эксплуатации СРД дополнительно снабжена системой автоматического управления и мониторинга.

СРД подключается последовательно штатному дросселирующему устройству, не внося изменений в технологические циклы подачи тепла и горячей воды потребителю. Данная система может быть размещена как на «прямой», так и на «обратной» магистралях в зависимости от особенностей потребителя. На рис. 7 представлен один из вариантов размещения СРД на ЦТП.

Величина мощности, вырабатываемая гидротурбиной, растет с увеличением расхода теплоносителя, проходящего через РК, одновременно при этом увеличивается гидравлическое сопротивление, создаваемое лопастной системой РК, на преодоление которого требуется большее рабочее давление.

С целью не превышения рабочим давлением, срабатываемым на турбине, значения располагаемого избыточного магистрального давления, дополнительно установлен клапан запорно-регулирующий (КЗР), обеспечивающий перепуск определенного количества теплоносителя в таких критических ситуациях, минуя гидротурбину. Дополнительный КЗР одновременно позволяет осуществлять автоматический пуск и останов СРД, предотвращать разгонные явления ротора гидротурбины.

С целью обеспечения требуемого (штатного) закона регулирования перепада давления на ЦТП, рабочее колесо гидротурбины проектируется с рабочей характеристикой определенного вида.

Кроме выполнения функций гидродинамического регулятора давления, СРД может использоваться в качестве аварийного источника электроэнергии. Это особенно актуально для ЦТП с «независимой» системой теплоснабжения. В таких ситуациях вся вырабатываемая электроэнергия на СРД направляется на привод насоса отопления, обеспечивая циркуляцию теплоносителя и предотвращая необходимость его слива из внутридомовой системы отопления.

Вторым преимуществом аварийного источника энергии является возможность направлять вырабатываемую электроэнергию для работы аварийного освещения, что немаловажно в период проведения аварийно-восстановительных работ.

С целью проверки предложенной методологии преобразований избыточного магистрального давления в электрическую энергию была создана экспериментальная СРД (рис. 8), установленная на базе учебно-научно-производственного ЦТП, расположенного в корпусе «С» МЭИ (ТУ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам представленных материалов можно сделать следующие выводы.

1. Для систем централизованного теплоснабжения показан потенциал использования избыточного магистрального давления, традиционно теряемого при дросселировании, по предварительной оценке составляющий до 30 % потребности в электроэнергии оборудования ЦТП.

2. Разработан способ преобразования избыточного давления в электрическую энергию.

3. Установлено, что использование СРД:

а) увеличивает надежность штатного оборудования ЦТП за счет предотвращения развития кавитационных процессов в теплообменном оборудовании и дросселирующих устройствах;

б) экономит установленную мощность;

в) экономит условное топливо;

г) улучшает экологическую обстановку, снижая вредные выбросы, происходящие при процессах традиционный выработки электроэнергии на тепловых электростанциях.

4. Предложенная СРД перспективна для широкого использования в системах централизованного водоснабжения, в частности на регулирующих узлах.

5. СРД может эффективно использоваться в системах оборотного водоснабжения, в которых охлаждающая вода сбрасывается в реки или водоемы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для студентов вузов. 7-е стер. изд. М.: Издательство МЭИ, 2001.

2. Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002.

3. Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009.

4. Якимов В.Л., Пасков В.В. Повышение эффективности работы систем теплоснабжения // ВСТ: Водоснабжение и сантехника. 1996. №5.

Размещено на Allbest.ru