СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В КОМПЛЕКСЕ «ТЭС-ПОТРЕБИТЕЛЬ»

Батухтин А.Г.¹, Кобылкин М.В.², Батухтин С.Г.³, Сафронов П.Г.⁴

¹Кандидат технических наук,

²аспирант,

³ведущий специалист,

⁴кандидат технических наук,

Забайкальский государственный университет

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В КОМПЛЕКСЕ «ТЭС-ПОТРЕБИТЕЛЬ»

Аннотация

В статье рассмотрены проблемы и перспективы внедрения тепловых насосов в существующие системы теплоснабжения. Представлен возможный вариант развития систем, основанный на внедрении малозатратного способа компенсации нагрузки горячего водоснабжения в неотопительный период с применением неклассического источника низкопотенциальной тепловой энергии и расширением его до комплексной системы «ТЭС-потребитель».

Ключевые слова: энергосбережение, тепловой насос, горячее водоснабжение, малозатратность.

Batukhtin A.G.¹, Kobylkin M.V.², Batukhtin S.G.³, Safronov P.G.⁴

¹PhD in Engineering,

²postgraduate student,

³leading specialist,

⁴PhD in Engineering,

Transbaikal State University

MODERN ENERGY-SAVING TECHNOLOGY IN THE COMPLEX "THERMAL POWER PLANT -CONSUMER"

Abstract

This paper presents the problems and prospects of implementation of heat pumps in existing heat supply system. It presents options for the development of systems based on the introduction of low-cost ways to compensate for the load of hot water supply in the non-heating period with the use of non-classical source of low-grade thermal energy and its extension to the complex system of "thermal power plant-consumer".

Keywords: energy saving, heat pump, domestic hot water, low-cost.

Внедрение тепловых насосов, в настоящее время, является одним из приоритетных направлений в развитии технологий энергосбережения [1-4].  Однако  установка тепловых насосов по существующим проектам на большинстве потребителей и производителей тепловой энергии ставит под сомнение энергосберегающий эффект всего энергетического комплекса в целом. Данный вывод обусловлен разнородностью технологических решений в данной области.

Большая часть классических российских и зарубежных проектов по внедрению тепловых насосов предусматривает практически полную изоляцию потребителя от источников тепловой энергии за счет использования низкопотенциального тепла воздуха, воды или грунта [5,6]. В России подобные проекты обладают значительной стоимостью, которая превышает платежеспособность большинства потребителей, и трудновыполнимы в условиях плотной городской застройки [7]. При этом изоляция потребителей, входящих в систему теплоснабжения, приводит к сокращению тепловой нагрузки на ТЭЦ с общим увеличением потребления электроэнергии в системе, распределяемой между другими типами станций.

Кроме классических проектов в российской энергетике набирают популярность решения связанные с использованием в тепловом насосе теплоты обратной сетевой воды ТЭЦ [8]. Такие проекты решают проблемы капитальных затрат и легко реализуемы в городских условиях, но при этом полностью зависимы от ТЭЦ с присоединенными не модернизированными потребителями, и их область внедрения ограничивается компенсацией нагрузки ГВС в отопительный период. Перечисленные особенности лишают данные проекты перспектив глобального внедрения. Кроме этого, использование теплоты обратной сетевой воды приводит к ненормативному захолаживанию теплоносителя.

Помимо модернизации потребителей активно рассматривается модернизация источников теплоснабжения путем внедрения тепловых насосов [9,10]. Тепловые насосы на станциях предполагаются к установке в различных точках тепловой схемы ТЭС и позволяют достичь значительного повышения эффективности работы станции, но не всегда предусматривают возможность перспективного изменения режимов работы потребителей тепловой энергии влияющих на режимы работы станции.

Поскольку практика показывает, что для российской энергетики характерна самостоятельность и разрозненность в принятии решений на различных уровнях управления в системе теплоснабжения, то с большой долей вероятности возможно хаотичное внедрение тепловых насосов по различным проектам в приделах одного источника теплоснабжения. При условии, что подавляющее большинство проектов имеют различные принципы энергообеспечения и не могут комплексно развиваться совместно в одной системе, бесконтрольный поход к энергосбережению в данной области способен не только остановить рост эффективности системы в целом, но и стать причиной общей разбалансировки и ухудшения общих технико-экономических показателей, что в свою очередь противоречит самому принципу энергосбережения. Наихудшим вариантом развития отрасли станет внедрение классических зарубежных изолирующих проектов на всех потребителях в приделах каждого источника теплоснабжения, при таком развитии топливно-энергетический комплекс  полностью лишится самого эффективного способа сбережения энергоресурсов – комбинированной выработки электроэнергии на ТЭЦ.

Избежать вышеописанных проблем возможно путем планомерного внедрения новых технологических решений, при разработке которых изначально рассматривается целостная картина энергосбережения, включающая как потребителей, так и источники теплоснабжения. Причем внедрение тепловых насосов в каждой отдельно взятой системе теплоснабжения необходимо ограничивать одним типом проектов, наиболее подходящих к данной системе.

В существующих экономических условиях создать основу для планомерного развития отрасли в данном направлении невозможно без разработки малозатратных технологических решений [11]. Перспективным направлением внедрения тепловых насосов на начальной стадии с соблюдением поставленных условий может стать компенсация нагрузки горячего водоснабжения (ГВС) в неотопительный период с применением неклассического источника низкопотенциальной тепловой энергии [12]. В данном случае, разработанный способ компенсации нагрузки ГВС принимается в качестве «базового».

Система горячего водоснабжения здания (Рис. 1.), модернизированная по «базовому» способу, использует в качестве источника тепла для теплового насоса теплоноситель, циркулирующий в замкнутом контуре системы отопления. Замкнутый контур организуется путем закрытия запорной арматуры 8 и трехходового клапана 12 по линии подачи 1, а также производится автоматизация арматуры 7 для сокращения либо полного прекращения циркуляции теплоносителя через теплообменник 6. Система эффективно покрывает нагрузку ГВС за счет аккумулированного в здании тепла, и позволяет получить значительную экономию для потребителя.  Способ характеризуется высокими значениями коэффициента преобразования, которые свойственны водяным теплонасосным установкам (ТНУ), при компактности и минимальных затратах на внедрение. Также способ позволяет утилизировать избыточное тепло помещений в летний период, сокращая затраты энергии на кондиционирование, что свойственно только дорогостоящим комплексным системам теплохладоснабжения [13].

Рис. 1 – система горячего водоснабжения здания:

1 – подающий трубопровод, 2 – обратный трубопровод, 3 – трубопровод воды идущей на горячее водоснабжение, 4 – конденсатор теплонасосной установки, 5 – испаритель теплонасосной установки, 6 – теплообменник горячего водоснабжения, 7, 8, 9 – запорная арматура, 10 –циркуляционный насос, 11 – отопительный прибор, 12 – трехходовой клапан

Промежуточный этап внедрения «базового» способа, когда модернизированы не все потребители в приделах одного источника,  аналогичен процессу внедрения классических изолирующих проектов с характерным снижением тепловой нагрузки на источнике теплоснабжения, это приведет к снижению эффективности системы за счет сокращения доли комбинированной выработки в общем балансе. Однако малые затраты на внедрение дают возможность провести модернизацию всех потребителей в приделах одного источника в кратчайший срок, позволяя перейти на следующий этап развития системы теплоснабжения.

При наличии «базового» способа на всех потребителях появляется возможность перевода источника тепловой энергии на работу в качестве низкопотенциального источника тепла для потребителя по следующему способу.

Рис. 2 – комплексная система горячего водоснабжения здания:

1 – подающий трубопровод, 2 – обратный трубопровод, 3 – трубопровод воды идущей на горячее водоснабжение, 4 – конденсатор теплонасосной установки, 5 – испаритель теплонасосной установки, 6 – теплообменник горячего водоснабжения, 7, 8, 8', 9 – запорная арматура, 10 – циркуляционный насос, 11 – отопительный прибор, 12 – трехходовой клапан, 13 – источник тепла

При переходе от «базового» способа к комплексной системе горячего водоснабжения здания (Рис. 2) открывается арматура 8' а также в работу вступает трехходовой клапан управляемый скорректированной автоматикой системы отопления для организации подвода низкопотенциального тепла. В контуре системы отопления теплоноситель, при помощи циркуляционного насоса, подается в систему отопления. Проходя отопительные приборы, теплоноситель забирает избыточное тепло помещений, после чего разделяется на два потока, один из потоков возвращается на ТЭС, второй поток, проходя трехходовой клапан, смешивается в необходимых пропорциях с низкотпотенциальным теплоносителем из подающего трубопровода и поступает в ТНУ.

Одновременно с закрытием арматуры 8 производится закрытие арматуры 7 для отключения теплообменника горячего водоснабжения.

Рис. 3 – Принципиальная схема подогрева теплоносителя на ТЭС:

1 – котельная установка, 2 – турбина, 3 – генератор, 4 – конденсатор, 5 – обратный трубопровод, 6 – подающий трубопровод, 7 – сетевой насос, 8 – верхний сетевой подогреватель, 9 – нижний сетевой подогреватель, 10, 11 – запорная арматура

При возвращении потока теплоносителя на ТЭС (Рис. 3) его температура становится близкой к температуре окружающей среды за счет теплопоступлений в зданиях потребителей и через изоляцию тепловых сетей. Относительно низкая температура позволяет использовать его в качестве охлаждающей воды непосредственно в конденсаторе турбоустановки при закрытии запорной арматуры 10 и открытии арматуры 11.

Также, для исключения подвода высокопотенциального тепла из отборов турбины, производится отключение верхнего и нижнего сетевых подогревателей.

Перераспределение потоков пара от сетевых подогревателей в конденсатор  позволит обеспечить потребителей теплоносителем с низким потенциалом и исключить недовыработку мощности турбинами.

Перевод потребителей, тепловых сетей и ТЭС на работу с низкопотенциальным теплоносителем является глобальным расширением «базового» способа и позволяет значительно повысить экономичность теплофикации за счет сокращения тепловых потерь в конденсаторе и увеличения выработки электроэнергии на базе теплового потребления благодаря снижению давления необходимого для теплофикации. При этом данный переход для большинства ТЭЦ оборудованных теплофикационными пучками является режимным и не предусматривает капитальных затрат. В случае КЭС, возникают относительно малые затраты на организацию подвода теплоносителя к конденсатору.

Дальнейшее развитие предусматривает постепенное расширение «базового» способа у потребителя путем увеличения мощности ТНУ для покрытия нужд отопления с последующим круглогодичным переводом ТЭС на работу в качестве низкопотенциального источника тепла.

Таким образом, постепенное и контролируемое внедрение данного технологического решения позволит создавать энергоэффективные системы при минимальных затратах и без недостатков большинства зарубежных и российских проектов. Кроме этого, унификация планов развития систем теплоснабжения даст толчок к развитию машиностроения, в частности отрасли по производству теплонасосного оборудования, что в свою очередь также позволит снизить общую стоимость оборудования и всего проекта в целом.

Литература

1. Берзан В.П. Аспекты проблемы стимулирования внедрения тепловых насосов / В.П. Берзан, С.Г. Робу, М.Л. Шит // Проблемы региональной энергетики. –2011. –№ 1. –С. 91–94.
2. Батухтин А.Г. Повышение эффективности современных систем теплоснабжения / А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, М.В. Кобылкин, А.В. Миткус. // Вестник Забайкальского государственного университета. –2013. –№ 09. – С. 112-120.
3. Ефимов, Н.Н. Перспективы использования тепловых насосов в энергообеспечении промышленных и коммунальных предприятий / Н.Н. Ефимов, П.А. Малышев // Теплоэнергетика. –2009. –№11. –С. 30-33
4. Батухтин, А.Г. Использование тепловых насосов для повышения тепловой мощности и эффективности существующих систем централизованного теплоснабжения / А.Г. Батухтин // Научно-технические ведомости СПбГТУ. – 2010. – №2.– С. 28-33.
5. Филиппов С.П. Эффективность использования тепловых насосов для теплоснабжения малоэтажной застройки / С.П. Филиппов, М.Д. Дильман, М.С. Ионов // Теплоэнергетика. –2011. –№ 11. –С. 12-19.
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.
7. Кобылкин М.В. Перспективное направление внедрения тепловых насосов / М.В. Кобылкин, С.Г. Батухтин, К.А. Кубряков // Международный научно-исследовательский журнал. –2014. –№ 5-1 (24). –С. 74-75.
8. Николаев Ю.Е. Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ / Ю.Е. Николаев, А.Ю. Бакшеев // Промышленная энергетика. –2007. –№ 9. –С. 14-17.
9. Аникина И.Д. Применение тепловых насосов для повышения энергоэффективности паросиловых ТЭС / И.Д. Аникина, В.В. Сергеев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. –2013. –№ 178. –С. 56-61.
10. Ефимов Н.Н. Энергетическая эффективность использования абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса в тепловых схемах ТЭС / Н.Н. Ефимов, И.В. Янченко, С.В. Скубиенко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. –2014. –№ 1. –С. 17-21.
11. Батухтин А.Г. Тепловые насосы в российских системах отопления. Проблемы и перспективные решения / А.Г. Батухтин, М.В. Кобылкин // Nauka-Rastudent.ru. –2014. –№ 11 (11). –С. 42.
12. Батухтин А.Г. Современные способы модернизации существующих систем теплоснабжения/ А.Г. Батухтин, М.В. Кобылкин, А.В. Миткус, В.В. Петин // Международный научно-исследовательский журнал. –2013. –№ 7-2 (14). –С. 40-45.
13. Батухтин А.Г. Применение водяных теплонасосных установок с неклассическим источником низкопотенциальной энергии для компенсации нагрузки горячего водоснабжения / А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, М.В. Кобылкин // Промышленная энергетика. –2015. –№ 3. –С. 18-21.

References

1. Berzan V.P. Aspekty problemy stimulirovanija vnedrenija teplovyh nasosov / V.P. Berzan, S.G. Robu, M.L. Shit // Problemy regional'noj jenergetiki. –2011. –№ 1. –S. 91–94.
2. Batuhtin A.G. Povyshenie jeffektivnosti sovremennyh sistem teplosnabzhenija / A.G. Batuhtin, S.A. Ivanov, M.V. Kobylkin, A.V. Mitkus. // Vestnik Zabajkal'skogo gosudarstvennogo universiteta. –2013. –№ 09. – S. 112-120.
3. Efimov, N.N. Perspektivy ispol'zovanija teplovyh nasosov v jenergoobespechenii promyshlennyh i kommunal'nyh predprijatij / N.N. Efimov, P.A. Malyshev // Teplojenergetika. –2009. –№11. –S. 30-33
4. Batuhtin, A.G. Ispol'zovanie teplovyh nasosov dlja povyshenija teplovoj moshhnosti i jeffektivnosti sushhestvujushhih sistem centralizovannogo teplosnabzhenija / A.G. Batuhtin // Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbGTU. – 2010. – №2.– S. 28-33.
5. Filippov S.P. Jeffektivnost' ispol'zovanija teplovyh nasosov dlja teplosnabzhenija malojetazhnoj zastrojki / S.P. Filippov, M.D. Dil'man, M.S. Ionov // Teplojenergetika. –2011. –№ 11. –S. 12-19.
6. Chemekov V.V. Sistema teplosnabzhenija avtonomnogo zhilogo doma na osnove teplovogo nasosa i vetrojelektricheskoj ustanovki / V.V. Chemekov, V.V. Harchenko // Teplojenergetika. –2013. –№ 3. –S. 58.
7. Kobylkin M.V. Perspektivnoe napravlenie vnedrenija teplovyh nasosov / M.V. Kobylkin, S.G. Batuhtin, K.A. Kubrjakov // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. –2014. –№ 5-1 (24). –S. 74-75.
8. Nikolaev Ju.E. Opredelenie jeffektivnosti teplovyh nasosov, ispol'zujushhih teplotu obratnoj setevoj vody TJeC / Ju.E. Nikolaev, A.Ju. Baksheev // Promyshlennaja jenergetika. –2007. –№ 9. –S. 14-17.
9. Anikina I.D. Primenenie teplovyh nasosov dlja povyshenija jenergojeffektivnosti parosilovyh TJeS / I.D. Anikina, V.V. Sergeev // Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbGPU. –2013. –№ 178. –S. 56-61.
10. Efimov N.N. Jenergeticheskaja jeffektivnost' ispol'zovanija absorbcionnogo bromisto-litievogo teplovogo nasosa v teplovyh shemah TJeS / N.N. Efimov, I.V. Janchenko, S.V. Skubienko // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Serija: Tehnicheskie nauki. –2014. –№ 1. –S. 17-21.
11. Batuhtin A.G. Teplovye nasosy v rossijskih sistemah otoplenija. Problemy i perspektivnye reshenija / A.G. Batuhtin, M.V. Kobylkin // Nauka-Rastudent.ru. –2014. –№ 11 (11). –S. 42.
12. Batuhtin A.G. Sovremennye sposoby modernizacii sushhestvujushhih sistem teplosnabzhenija/ A.G. Batuhtin, M.V. Kobylkin, A.V. Mitkus, V.V. Petin // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. –2013. –№ 7-2 (14). –S. 40-45.
13. Batuhtin A.G. Primenenie vodjanyh teplonasosnyh ustanovok s neklassicheskim istochnikom nizkopotencial'noj jenergii dlja kompensacii nagruzki gorjachego vodosnabzhenija / A.G. Batuhtin, S.A. Ivanov, M.V. Kobylkin // Promyshlennaja jenergetika. –2015. –№ 3. –S. 18-21.