CC BY
67
ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
УДК 697.34:621.18
Технология создания высокоэффективной системы энергоснабжения с внутренними источниками электроэнергии на возвратной теплоте
В. Г. Систер,
Московский государственный университет инженерной экологии, чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор
Ф. А. Поливода,
ОАО «ЭНИН им. Г. М. Кржижановского», доктор технических наук, профессор Е. М. Иванникова,
ООО «Национальная инновационная компания», кандидат технических наук, доцент
Работа посвящена проблеме модернизации и созданию новых высокоэффективных тепловых сетей для крупных городов с использованием возвратной теплоты низкого потенциала для производства электрической энергии непосредственно на теплосети (например, в насосных и дроссельных подстанциях) и в водогрейных котельных. Тем самым открывается путь к модернизации системы городского энергетического хозяйства в целом. Приводятся методические основы для разработки новой технологии высокоэффективных систем энергоснабжения. Сформулированы рекомендации и указаны основные направления создания новых экономичных систем энергоснабжения.
Ключевые слова: энергоснабжение, теплосеть, низкопотенциальные энергоустановки.
Технология создания высокоэффективной системы теплоснабжения сводится к решению трёх основных задач: улучшение теплоизоляции за счёт новых методов построения полимерных пеноматериалов; оптимальное регулирование тепловой нагрузки, не допуская «перетопа» помещений, использование возвратной теплоты для генерации электроэнергии и автономного снабжения собственного оборудования теплосетей, например, насосных, дроссельных подстанций и электрооборудования квартальных котельных.
Цель настоящей работы - формулирование основных методических подходов к решению проблемы и разработка рекомендаций по решению изложенных выше задач. Наиболее подробно рассмотрены теоретические зависимости для построения систем оптимального управления тепловыми сетями на основе расчёта функции коэффициента полезного действия. Аналитические соотношения, которые получены авторами, с одной стороны, позволяют оценить КПД реальной теплосети, а с другой - выявить минимум цены тепловой энергии, доставленной потребителю с учётом затрат на перекачку теплоносителя.
По определению [1] КПД теплосети расчитывается как отношение полезной мощность Qо, полученной потребителем, к мощности, отпущенной от источника Qи:
=
О. <2
а
(1)
где QL - мощность тепловых потерь на теплотрассе, кВт.
Обозначим температуры подающей трубы как t1 и а обратной - ^ и €2 (рис. 1). Температуры t1 и ^ измеряются непосредственно на источнике теплоты, а €2 - у потребителя. Длину двухтрубной теплосети обозначим как Ц температуру окружающей среды как расход теплоносителя (без учёта утечек в сети) запишем как G. В этих обозначениях составляющие QL и Qu можно выразить через известные соотношения [2]:
Qu=CрG(Vt2), (2)
где Qu - отпущенная от источника теплота, кВт;
QL=gL•l(1+P), (3)
где QL - тепловые потери на всей теплотрассе, кВт; Р=0,2 -нормативный коэффициент, учитывающий неизолированные участки сети, арматуру и пр. [3];
- погонный поток тепловых потерь для изолированного трубопровода, Вт/м.
В двухтрубной сети qL состоит из суммы потоков д1 и д2 для подающей и обратной трубы соответственно:
9L=9l+92,
(4)
НШЮШШ
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность
и =
d - внутренний диаметр, м.
Следовательно, можно приближенно положить ЕК=Киз. Таким образом, для конкретного трубопровода является константой и зависит только от конструкции трубопровода.
Исходные уравнения (1-3) послужили основой для вывода базового уравнения КПД сети. Подставляем выражения для Qи и QL, а также qL в формулу КПД теплосети. Имеем:
Л„ =1"
(^-О'/О+Р)
где т, = -
и
средняя температура воды в трубе.
(9)
Ои = Оо + О
Рис. 1. Обобщённая модель и тепловой баланс теплосети
п - Т' т- п - ^ *ос ■
г«е 42 ~ I* ' (5)
т1 и т2 - средние температуры подающего и обратного трубопровода теплосети, с учётом естественного остывания, °С:
(6)
2 ' 2 2 " Для однотрубной сети можно использовать выражение для q1.
Термическое сопротивление (м2 • °С/Вт), состоит обычно из суммы элементарных составляющих:
(7)
2пК, с/
(8)
где ^из=0,027-0,05 Вт/м-°С - удельная теплопроводность пенополиуретана; Б - наружный диаметр изолированной трубы, м;
Данное выражение получено при допущениях:
1) принято постоянство средней температуры в трубе; в реальных условиях температура падает экспоненциально до отметки t1';
2) не учитываются потери по обратному трубопроводу;
3) не учитывается сопротивление грунта, окружающего воздуха, и др.
Также принято, что сетевой насос относится к источнику.
Поскольку ср, Т.Я, I, в - константы, а среднечасовой расход G является медленно изменяющейся функцией, то значение КПД теплосети можно записать в виде
(10)
где А=- - константа, зависящая только от
свойств системы, или «системный фактор», кг/с.
Следовательно, скорость изменения значения КПД определяется вариацией расхода жидкости G, так как длина I сети постоянна, а теплоёмкость ср изменяется сравнительно слабо.
- (т -I )
Величина Л? = ——— представляет собой «температурный фактор», зависящий только от свойств окружающей среды и температур воды в трубопроводах. Поэтому:
где Я1 - сопротивление трубы;
Я2 - пристеночное сопротивление внутреннего слоя воды;
- сопротивление окружающей среды или грунта и т. д.
Все эти сопротивления обычно значительно меньше, чем сопротивление ППУ-изоляции:
Л т.е. = /
О
(11)
если выполняется условие Аасош!
Допущения (1) и (3) дают отрицательную погрешность в формуле для КПД, а допущение (2) -положительную; они взаимно компенсируют друг друга. Таким образом, КПД теплосети является функцией установленного температурного графика сети, например 130/70, наружной температуры и расходов G по сети, т. е. зависит от режима теплопотребления абонентов. Или (обобщая зависимости) является двумерной функцией независимых переменных: «температурного фактора» А/ и
«расходного фактора» —.
О
и
шивпит
Полученные уравнения составляют основу для оптимизации КПД и решения задачи оптимального управления сетями. Наряду с этим существуют две отдельные проблемы, решение которых не связано с изложенной выше теорией:
1) улучшение теплоизоляции трубопроводов на основе новых полимерных материалов, в том числе повышение её влагостойкости;
2) разработка низкопотенциальных энергоустановок, генерирующих электроэнергию из сбросной теплоты (возвратной теплоты) теплоносителя. Схематично технология создания высокоэффективной системы энергоснабжения города представлена на рис. 2.
Очевидно, что прямое увеличение толщины теплоизоляции трубы и снижение теплопроводности ведут к уменьшению тепловых потерь. Существует, однако, оптимальная толщина, сверх которой увеличивать её массу нецелесообразно по экономическим соображениям. Кроме того, ряд материалов, таких как стекловата, обладают большой гигроскопичностью и не могут быть рекомендованы для новых энергоэффективных сетей, несмотря на дешевизну.
Наиболее современными и перспективными для внедрения в новую технологию являются полимеры на основе пенополиуретанов с внутренними мембранами, позволяющими повысить гидроизоляционные свойства трубопровода от внешнего проникновения влаги из почвы [4]. Появление влаги вблизи внешней стенки трубопровода ведёт к образованию очагов коррозии и износу трубопровода.
Проблема создания низкопотенциальной энергоустановки (или низкопотенциальной электростанции - НЭС) вытекает из необходимости более эффективно использовать теплоту, которая возвращается обратно в водогрейный котёл. Теплоноситель обратного трубопровода имеет довольно высокий потенциал +60...+70 °С. Кроме того, например, в сетях «Мосэнерго» существует и проблема завышения этой температуры, что отрицательно сказывается на общем показателе эффективности ТЭЦ: значительная часть теплоты безвозвратно сбрасывается в окружающую среду. По предварительным оценкам, ежегодные тепловые потери в РФ составляют свыше 150 млн гигакалорий [5]. Только в Москве, по предварительным оценкам, воз-
Решение проблемы энергосбережения в крупных городах
Рис. 2. Методы создания высокоэффективной системы энергоснабжения городов
иння
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность
13 =
можна реализация дополнительной электрической установленной мощности до 200-250 МВт из практически бесплатного сырья - сбросной теплоты. Главными потребителями этой электроэнергии должны стать водогрейные котельные и насосно-дроссельные подстанции.
Принципом, на котором основана работа низкопотенциальных энергоустановок, является теорема Карно:
(12)
согласно которой КПД энергоустановки зависит не только от температуры горячего источника T2, но и от температуры холодного стока T1. При значение
КПД приближается к единице. В России значительная часть городов имеет отопительный период свыше 215 суток при средней зимней температуре ниже -10 °С. Расчётная температура для проектирования систем отопления в Москве составляет <:ос= -28 °С. Поэтому КПД энергоустановки возрастает в зимнее время, если использовать для сброса низкопотенциального тепла окружающую среду. В данном случае имеет место ^=^+273. Реализовать термодинамический цикл возможно только на органическом теплоносителе, который не замерзает при низких температурах вплоть до -70 °С.
Новые автономные системы централизованного энергоснабжения городов будут весьма отличаться от классических, построенных ещё в 50-70-х годах прошлого века [6]. Главными их отличительными свойствами станут изменения в части новой, предпочтительно бионической, теплоизоляции теплопроводов с повышением их антикоррозионных свойств и применение распределённой системы автономной электрогенерации на площадках РТС и насосных, дроссельных подстанций. Необходимость генерации электроэнергии на пунктах, где установлены сетевые насосы, стала очевидной после системной аварии, произошедшей 25-27.05.2005 года, когда обесточенным на несколько дней оказался весь московский регион. Если бы системная авария произошла зимой, в отопительный период, последствия были бы более катастрофичными, так как обесточивание сетевых насосов и насосов на ЦТП привело бы к выходу из строя теплопотреб-ляющих абонентских установок. На площадках крупных РТС уже начинают устанавливать газотурбинные установки (ГТУ) и дизель-электростанции, что также делает системы теплоснабжения защищёнными. Однако в силу ряда недостатков (экологическое загрязнение оксидами азота, повышенный шум, высокая цена и техобслуживание) технология ГТУ не имеет перспектив на средних и мелких котельных (до 50 Гкал/ч) и (тем более) на насосных, дроссельных подстанциях. В то же время новая технология с использованием НЭС не имеет ограничений по мощности и вполне может конкурировать даже с базовым вариантом энергопотребления от сети. Рассмотрим подробнее тепловую схему низкопотенциальной энергоустановки (рис. 3).
Из
тепловой 1
В котел РТС
> Е
К электроприёмникам РТС
7
- ( ГО Электрогенератор 10
Воздух, ) = -28°С
Вентилятор
12
-к*
Рис. 3. Тепловая схема энергоустановки НЭС на котельной
Энергоустановка работает следующим образом. Из теплосети 1 обратная сетевая вода направляется через байпас 2 в теплообменник-парогенератор 4, где испаряет низкокипящую рабочую жидкость. Задвижка 3 на магистральном обратном трубопроводе закрыта по принципу «зима-лето». Обратная сетевая вода отдаёт тепло и охлаждается в теплообменнике на 10-12 °С; вследствие этого незначительно возрастает расход топлива (газа) в котле (на 5-7 %). Затем охлаждённая обратная вода поступает на всас сетевого насоса, подающего воду в котёл тепловой станции (на рис. 3 не показан). В это время насыщенный пар теплоносителя поступает по паропроводу 5 в турбогенератор 6, где срабатывается до низкого потенциала и производит полезную работу. Электрогенератор 7 высоковольтного типа (6 кВ) соединён с распределительным коммутатором 8.
В период отсутствия электрической нагрузки (либо её резкого снижения, например, при отключении сетевых насосов) подключается электрокотёл балластной нагрузки 9, содержащий сборки термоэлектронагревательных элементов (ТЭНов), т. е. генератор 7 работает на балластное сопротивление. При пуске насосов или других мощных нагрузках сборки ТЭНов отключаются пропорционально. В номинальном режиме электрокотёл отключён от питания, и вся электроэнергия разбирается потребителями. Это выравнивает нагрузочный график; энергоустановка всё время работает в стационарном режиме, но может маневренно реагировать на изменение нагрузки. Объём воды в электрокотле выбирается так, чтобы обеспечить работу установки в течение некоторого времени в полностью автономном
3
8
9
шивиит
режиме. Это решает вопрос аккумулирования энергии за счёт тепловой инерционности энергоустановки и повышения температуры воды в электрокотле. Отработавший в турбине пар поступает в рекуператор 10, а оттуда в воздушный конденсатор 11, сообщающийся по охлаждающей стороне с атмосферой. Конденсат поступает на всас питательного насоса 12, далее в жидкой фазе проходит через рекуператор, где частично подогревается и вновь подаётся в теплообменник - парогенератор. Цикл замыкается.
Энергоустановка не нарушает инфраструктуру станции; используется только обратный трубопровод, ответвление к которому подключается через байпас на теплообменник-парогенератор органического рабочего тела.
Выводы
1. Полученное базовое уравнение для расчёта КПД теплосети может служить основой для инженерных расчётов эффективности конкретной сети. Данная методика позволяет получить функцию КПД для проектируемой сети в зависимости от её
длины, расхода теплоносителя, диаметра трубопровода. Оптимизация этих параметров необходима проектным и конструкторским организациям, разрабатывающим новые проекты тепловых сетей либо ведущим реконструкцию уже построенных сетей.
2. Новая система энергоснабжения должна содержать бионическую теплоизоляцию трубопроводов, источники распределённой электрической генерации на основе установок с низкокипящим рабочим телом. Применение новых систем значительно повысит надёжность энергоснабжения населения и предприятий, снизит стоимость потребляемой электроэнергии, что, в свою очередь, должно сказаться на снижении тарифов.
3. На основе приведённой тепловой схемы будет разрабатываться унифицированный проект установленной электрической мощности до 2 МВт. Внедрение новых установок на предприятиях ОАО «МОЭК» позволит высвободить до 200 МВт установленной мощности, что положительно скажется на надёжности московской энергосистемы в целом.
Литература
1. Соколов Е. Я. Теплофикация и теплосети. - М.: МЭИ, 2000.
2. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы: Справочник / Под ред. А. В. Клименко и В. М. Зорина. - М.: МЭИ, 1999.
3. Стерман Л. С., Лавыгин В. М., Тишин С. Г. Тепловые и атомные электростанции. - М.: Энергоатомиздат, 1995.
4. Поливода А. И., Поливода Ф. А., Соколовский Р. И. Опыт разработки теплоизоляции из пенополиуретана марки «Бион» // Новости теплоснабжения. - 2009. - № 5. - С. 45-48.
5. Поливода Ф. А. Методы создания высокоэффективных систем теплоснабжения с надстройкой на РТС и КТС собственными источниками электроэнергии на низкопотенциальной (сбросной) теплоте (НЭС). Докл. на 3 Всерос. конф. «Реконструкция энергетики - 2011», 7-8 июня, г. Москва. Сб. докл. конф., 2011. - С. 43-45.
6. Извеков А. В., Поливода Ф. А. Энергоснабжение городов и промышленных предприятий. - М.: МЭИ, 2009. - 233 с.
Creation of highly effective system of power supply with internal sources of the electric power on returnable warmth
V. G. Sister,
Moscow State University of Environmental Engineering, Corresponding Member of RAS, D.T.S., professor
F. A. Polivoda,
JSC "The Krzhizhanovsky Power Engineering institute", D.T.S., professor
E. M. Ivannikova,
National Innovation Company, Ph.D., associate professor
The paper is devoted a problem of modernization and creation of new highly effective heating system for big cities, with use of returnable warmth of low potential for production of electric energy is direct on a heating system (for example pump-throttle substations) and in water-heating boiler-houses. As a whole thereby the way to modernization of system of a city power economy opens. Methodical bases for development of new technology of highly effective systems of power supply are resulted. Recommendations are formulated and the basic directions of creation of new economic systems of power supply are specified.
Keywords: power supply, heating systems, low-grade power plants.
НШЮШШ
