MODERN METHODS OF MODERNIZATION EXISTING SYSTEMS HEAT

Батухтин А.Г.¹, Кобылкин М.В.², Миткус А.В.³,Петин В.В.⁴

¹Кандидат технических наук; ²аспирант; ³аспирант; ⁴инженер, Забайкальский государственный университет.

Современные способы модернизации существующих систем теплоснабжения

Аннотация

В статье рассмотрена возможность применения современных технологических решений для модернизации систем теплоснабжения с целью  повышения их эффективности. Представленные решения основаны на применении тепловых насосов, а также применении электроразрядных технологий для обеззараживания воды при открытом водоразборе сетевой воды для нужд горячего водоснабжения. Описаны уникальные, экономически оправданные, схемы внедрения представленных решений в существующие системы теплоснабжения.

Ключевые слова: эффективность, теплоснабжение, тепловой насос, системы теплоснабжения, диафрагменный разряд, обеззараживание.

Batukhtin A.G.¹, Kobylkin M.V.², Mitkus A.V.³, Petin V.V.⁴

¹Candidate of Technical Sciences; ² postgraduate student; ³ postgraduate student; ⁴ engineer, Zabaikalsky State University.

MODERN METHODS OF MODERNIZATION EXISTING SYSTEMS HEAT

Abstract

The article considers the use of modern technology solutions for the modernization of heating systems in order to increase their effectiveness. The presented solutions are based on the use of heat pumps, as well as the use of electric-technology for water disinfection in open water pumping mains water for domestic hot water. Are described unique, economically justified, implementation scheme of the presented solutions into existing heating systems.

Keywords: efficiency, heating, heat pumps, heating systems, diaphragm discharge, disinfection.

В настоящее время развитие теплоэнергетики России опирается на принцип создания энергоэффективных и безопасных систем, потребляющих минимально возможное количество энергетических ресурсов, в этих условиях становится особенно актуальной разработка мало затратных способов модернизации уже существующих систем теплоснабжения. К таким способам можно отнести компенсацию части потребляемых энергетических ресурсов за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), перераспределение избыточной энергии в существующих системах, а также применение электроразрядных технологий для обеззараживания воды при открытом водоразборе сетевой воды для нужд горячего водоснабжения (ГВС). [9]

Преимущества теплоснабжения, использующих ВИЭ, по сравнению с их традиционными аналогами, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения, но и с их экологической чистотой, а также с новыми возможностями для повышения степени автономности работы этих систем [8].

В современных условиях использования ВИЭ надежно закрепили свое место схемы с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды при помощи теплонасосных установок (ТНУ) [8].

Однако, не смотря на различные технологии сбора тепла окружающей среды, все предлагаемые, на сегодняшний день, технологические решения с использованием ТНУ объединяет один недостаток, ограничивающий их область применения. Этим недостатком являются значительные капиталовложения при внедрении ТНУ в существующие системы отопления, особенно в условиях плотной городской застройки, когда возникает сложность с созданием скважин или приемных емкостей для организации доступа к низкопотенциальной тепловой энергии.

Решением проблемы затрат может стать переход на новый источник тепла, доступ к которому не требует значительной реконструкции исходной схемы теплоснабжения.

При анализе систем отопления зданий на предмет такого источника низкопотенциальной энергии, было отмечено, что любая система отопления в неотопительный период может играть роль источника тепла. На основании этого вывода был разработан способ горячего водоснабжения отличающийся от аналогов сравнительно малыми капитальными затратами, техническим результатом которого, является полное исключение тепловых потерь от трубопроводов абонентского ввода, независимость от централизованного источника тепла, а также утилизация избыточного тепла здания в неотопительный период.

Для достижения заявленного результата воду, идущую на горячее водоснабжение, нагревают до необходимой температуры в конденсаторе теплонасосной установки за счет тепла полученного от низкопотенциального источника в испарителе теплонасосной утсановки, и подают потребителям, причем в качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе используют сетевую воду, циркулирующую в замкнутом контуре системы отопления здания.

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.

Способ горячего водоснабжения реализуется следующим образом:

В неотопительный период, когда система отопления и горячего водоснабжения (ГВС) здания переводится на режим ГВС, закрывается запорная арматура 8 и открывается арматура 9, тем самым создавая закрытый контур циркуляции внутри системы отопления здания изолированный от внешних тепловых сетей. В закрытом контуре теплоноситель, при помощи циркуляционного насоса 10, подается в систему отопления. Проходя отопительные приборы 11, теплоноситель забирает избыточное тепло помещений, после чего поступает в испаритель теплонасосной установки 5, где охлаждается, передовая собранное тепло хладагенту, циркулирующему в контуре теплонасосной установки. Тепло, полученное хладагентом, отдается в конденсаторе теплонасосной установки 4, в который, в качестве нагреваемой среды, подается вода идущая на ГВС 3, нагрев осуществляется до температуры не менее 60°С, после чего вода подается потребителю.

Одновременно с закрытием арматуры 8 также производится закрытие арматуры 7 и трехходового клапана 12, что приводит к остановке циркуляции в подающем 1 и обратном 2 трубопроводах абонентского ввода здания, это полностью исключает тепловые потери от трубопроводов абонентского ввода. При закрытой арматуре 7 теплообменник ГВС 6 не учувствует в теплообмене.

Таким образом, используя в качестве низкопотенциального источника теплоты воду, циркулирующую в системе отопления здания в неотопительный период, можно обеспечивать здание горячей водой вне зависимости от централизованного источника тепла при незначительных капитальных затратах. При этом экономический эффект достигается за счет экономии при переходе на автономный источник тепла, экономии от отсутствия тепловых потерь от трубопроводов абонентского ввода, а также экономии за счет сокращения затрат на кондиционирование помещений.

Технология переноса теплоты с помощью ТНУ, кроме локального применения для конкретных потребителей, также может быть использована для решения задач перераспределение избыточной тепловой энергии в городских сетях теплоснабжения, которым присуща проблема ненормативного отпуска тепла.

 Анализ потребления тепловой энергии потребителями оборудованными приборами учета тепловой энергии города Читы Забайкальского края показал значительное отклонение реального теплопотребления от расчетных значений. К примеру, из 81 объекта финансируемого из городского бюджета 14 характеризуется превышением фактического потребления над расчетным, причем отклонение доходит до 40%, что определяет перетоп данных объектов. Остальные 67 объектов характеризуется недоотпуском тепловой энергии. При этом общий недоотпуск тепловой энергии на всех объектах составил более 22%. [6]

Поддержание комфортных температурных условий в помещениях потребителей является первоочередной задачей для систем теплоснабжения, а при общем недоотпуске тепловой энергии не представляется возможным без внедрения современных технологий. [4]

Произведенный расчет эффективности оптимизации отпуска теплоты от ТЭЦ потребителю с учетом изменения в течение суток нагрузки ГВС и температуры наружного воздуха на основе моделирования системы с учетом ее реального состояния на примере системы теплоснабжения микрорайона КСК (г. Читы Забайкальского края) отапливаемого от теплофикационных отборов двух турбин ПТ–60 Читинской ТЭЦ–1 показал экономический эффект 3 млн. руб./год за счет снижения температуры обратной сетевой воды. При этом располагаемая тепловая мощность станции может быть увеличена на 6,1% при сохранении расхода теплоносителя и пропусканной способности тепловых сетей, а также выработки электрической энергии [3].

Данный экономический эффект не является предельным поскольку диапазон температур прямой сетевой воды на ТЭЦ, в котором находится оптимальная, на конкретном временном промежутке, ограничивается: разной протяженностью отдельных участков тепловых сетей; участки тепловых сетей имеют разные характеристики тепловой изоляции, скорость изменения температуры прямой сетевой воды на ТЭЦ не должна превышать 30 ⁰С/ч; районы теплопотребления обладают разными потребителями тепловой энергии и как следствие требуют разного изменения температур прямой сетевой воды в течение суток [1, 5]. Снять эти ограничения позволит изменение температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей с применением установок по перераспределению потоков теплоты по разноинерционным ветвям теплосетей в зависимости от оптимального суточного графика и потребностей конкретных потребителей. Перераспределение потоков теплоты предполагается осуществлять с применением технологии тепловых насосов, по схеме, представленной на рисунке 2 [2]. Метод перераспределения заключается в том, что от источника отпускается оптимальная температура теплоносителя, при этом в период натопа в наиболее удаленные участки тепловых сетей температура увеличивается за счет нагрева в конденсаторе теплового насоса, а в период снижения тепловой нагрузки температура увеличивается в ближних участках тепловых сетей.

Рис. 2. – Схема комплекса теплоснабжения.1 – источник теплоснабжения; 2,3 – конденсатор теплового насоса; 4,5 – испаритель теплового насоса; 6 – тепловой насос; 7 – привод; 8 – потребитель; 9 – второй потребитель; 10,11,12,13 – регуляторы расхода; 14 – трубопроводы прямой сетевой воды; 15 – трубопроводы обратной сетевой воды.

Рассмотрим пример управления и возможный экономический эффект от схемы представленной на рисунке 2. Введем ограничения, т.к. на данном этапе исследования необходимо принципиально оценить возможный эффект от схемы. Пусть два абонента постоянно снабжаются сетевой водой в количестве 400 кг/с и температурным графиком 104/60. Теплоснабжение осуществляется от двух турбин ПТ 60–90. График потребления тепла абонентами представлен на рисунке 3. Верхний график характеризует необходимое изменение температуры прямой сетевой воды, нижняя часть графика температуру обратной сетевой воды.

При расчете, температура прямой сетевой воды от станции в течение суток оставалась постоянной, а температура обратной сетевой воды менялась в зависимости от потребности в тепле абонентов, которая характеризуется пиками и провалами на графике. При этом на станции после смешения потоков была усредненная температура обратной сетевой воды. При понижении температуры прямой сетевой воды на 4 градуса, т.е. до температуры 100 градусов, а пики тепловой нагрузки снимать тепловым насосом, то за сутки на станции можно снизить потребления топлива на 31 тону, а в год 11354 т угля, что в денежном эквиваленте по Хранорскому углю (768 р/т) 8,72 млн. рублей.

Рис. 3 –  График теплового потребления абонентов

Данная технология может вполне дополнять существующее централизованное теплоснабжение, причем, чем больше разница двух отношений, тем меньше срок окупаемости проекта.

Помимо использования тепловых насосов к технологиям, повышающим эффективность электронагрева можно отнести применение электроразрядных технологий. Поскольку их использование несет двойную функцию, помимо нагрева данные установки обеспечивают обеззараживание воды при отрытом водоразборе сетевой воды для нужд ГВС, его использование имеет дополнительную эффективность за счет сокращение распространения микроорганизмов.

В соответствии с СанПиН 2.1.4.2496–09 для систем централизованного теплоснабжения с открытым водоразбором качество воды должно соответствовать качеству питьевой воды. Для этого необходима разработка современных способов очистки и обеззараживания воды в системах централизованного теплоснабжения [7].

Рис. 4 – Схема по обеззараживанию и очистке сетевой воды: 1 – регулирующий клапан с электроприводом; 2 – блок управления системой; 3 – бак­–аккумулятор; 4 – разрядная камера; 5 – источник питания разрядной камерой; 6 – место установки фильтра; 7 – потребители горячей воды.

К таким способам очистки стоит отнести диафрагменный разряд (ДЭР), в канале которого происходят различные процессы, такие как, кавитация, образование перекиси водорода, диффузии ионов металла с поверхности электродов. А при совмещении ДЭР с применением цеолитсодержащих пород Забайкальских месторождений (имеющих огромные запасы >1600 млн. тонн и низкую стоимость < 8 руб. за кг.) повышается суммарное воздействие всего этого, что благоприятно влияет на очистку воды от патогенных микроорганизмов и при этом обработанная вода является раствором для обеззараживания.

Ряд экспериментов, проделанных в этом направлении говорит о том, что обработанная вода, добавленная в нужном соотношении в зараженную может полностью обеззаразить весь поток.

Согласно СНиП [10], температура для централизованных систем горячего водоснабжения, присоединенных к открытым системам теплоснабжения должна составлять 60–75 ⁰С. Поэтому сетевая вода в АТП проходит регулировку в регулирующем клапане 1 до необходимой температуры и далее идет двумя потоками. Первый поток большая часть направляется в бак–аккумулятор 3, второй поток идет в разрядную камеру 4 для обеззараживания и после нее поступает в фильтр 6 с цеолитсодержащими породами. В зависимости от условий работы и химического состава исходной воды фильтр может устанавливаться либо до бака, либо после. В опытах использовался природный цеолит Шивыртуйского месторождения фракция 1 – 3 мм, влажность до 16 %. После фильтра обеззараженный раствор направляется в бак–аккумулятор, где происходит последующая обработка всего потока воды для нужд ГВС. Из бака вода поступает к потребителям 7. Для управления системы предусмотрен регулирующий блок 2. Для контроля температуры воды установлено два датчика: перед регулирующим клапаном 1 и перед баком–аккумулятором 3.

Рис. 5 – Разрядная камера: 1 – корпус разрядной камеры; 2 – диэлектрическая диафрагма; 3 – отверстия; 4 – медные электроды; 5 – входной патрубок; 6 – выходной патрубок; 7 – повышающий трансформатор; 8 – регулятор; 9 – регулировочные вентиля.

Разрядная камера 1 представляет собой сосуд, разделенный по середине диафрагмой 2 с отверстиями 3 в ней. В каждой части сосуда находится по медному электроду 4. Вода для обработки 5 поступает в верхнюю область сосуда и через отверстия в диафрагме перетекает в нижнюю, где через патрубок 6 удаляется. В отверстиях диафрагмы между электродами создается ДЭР. Питание электродов происходит от сети переменного тока 220 В, 50 Гц с повышающим трансформатором 7 до напряжения 2 кВ и регулятором 8. На входе и выходе разрядной камеры установлено по вентилю 9 для регулировки расхода жидкости.

Степень обеззараживания воды определялась по пробам, отобранным после фильтра по обычным бактериологическим анализам.

Неоднократные исследования, выполненные на данной установки, позволили установить: зависимость ее бактерицидной активности от температуры воды. Данные эксперименты проводились при различном соотношении расходов между баком–аккумулятором и разрядной камерой. А также при различных режимных факторах. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что с увеличением температуры исходной воды обеззараживающая способность увеличивается. Кроме того, помимо обеззораживания система производит догрев сетевой воды, что в свою очередь уменьшает расход из подающего трубопровода.

Работа по разработке энергоэффективных систем централизованного теплоснабжения проводится в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, а также гранта Президента РФ по поддержке молодых ученых, кандидатов наук.