Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
08.12.2017

Предельно неэффективный коэффициент преобразования ТНУ в теплофикационных системах

Батухтин Андрей Геннадьевич
канд. техн. наук, профессор каф. ТЭС, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия
Кобылкин Михаил Владимирович
инженер Технопарка, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия
Риккер Юлия Олеговна
магистрант, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия
Аннотация: Статья посвящена проблемам внедрения тепловых насосов в системы теплоснабжения с ТЭЦ. Рассмотрен упрощенный подход к определению эффективности теплового насоса в системе теплоснабжения. Представлена обоснованная критика существующих проектов внедрения тепловых насосов в системы централизованного теплоснабжения.
Ключевые слова: Когенерация, теплофикация, энергосбережение, тепловой насос, предельно неэффективный COP
Электронная версия
Скачать (707.2 Kb)

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/η=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:

 Снимок.PNG

где: 2.PNG– 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:

3.PNG 

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

4.PNG 

где: – мощность, которую необходимо поддерживать для снабжения потребителя электроэнергией, Hi – располагаемый теплоперепад турбины, iотб. – энтальпия пара, отбираемого на теплофикацию, iк– энтальпия пара в конденсаторе, iдр. – энтальпия дренажа сетевой подогревательной установки (СПУ), Qотп. – количество теплоты, отпускаемой со станции на нужды теплоснабжения,
5.PNG– необходимый прирост электрической мощности для покрытия нужд ТН,

6.PNG – 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: 

7.PNG

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

8.PNG 

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 (Δt) < 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. 

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

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:

9.PNG 

где: Qпотр. количество потребленной теплоты,

10.PNG – 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 Δt < 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.