Обеспечение энергонезависимости и надежности тепловых пунктов

Обеспечение энергонезависимости и надежности тепловых пунктов

В последнее время возросла актуальность проблемы надежности и энергоэффективности местных систем отопления как части централизованной системы теплоснабжения. Особенно важно решение проблемы полной потери работоспособности местными системами отопления, присоединенными к централизованной сети по независимой схеме, при аварийном отключении электроснабжения тепловых пунктов (ТП), когда останавливается циркуляционный отопительный насос (ЦОН).

В ряде публикаций и на специализированных форумах в Интернете ставится вопрос об обеспечении энергонезависимости ТП, под которой понимается обеспечение работоспособности системы отопления без участия внешней электросети. В качестве одного из основных путей обеспечения энергонезависимости ТП предлагается использование для этой цели гидравлической энергии магистрального потока теплоносителя.

В работе [1] рассматривалось применение систем рекуперации энергии избыточного магистрального давления централизованных теплосетей (СРД — системы рекуперации давления) на ТП, которые позволяют повысить энергоэффективность ТП за счет использования дополнительной электроэнергии, полученной в СРД при утилизации избыточной гидравлической энергии потока теплоносителя в подводящей магистрали посредством гидротурбины, соединенной с электрогенератором. В работе [2] показана принципиальная возможность применения СРД в качестве автономного источника электроснабжения аварийного ЦОН, что частично решает проблему обеспечения энергонезависимости ТП от внешней электросети. Частичность такого решения заключается в том, что СРД лишь снижает остроту проблемы, снабжая электроэнергией маломощный аварийный ЦОН. Кроме того, схеме ТП из работы [2] присущи два существенных недостатка: во-первых, вероятность ее безотказной работы составляет не многим более 77%, и, во-вторых, ее КПД не превышает 66%, что существенно снижает эксплуатационную и энергетическую эффективность аварийного ЦОН.

В работе [3] представлено и обосновано схемное решение СРД, позволяющее значительно повысить надежность и энергоэффективность СРД как аварийного источника энергии для ЦОН. Эта схема предполагает прямую, не опосредованную электроцепями кинематическую связью ротора гидротурбины с ротором ЦОН. Более того, в этом случае отпадет необходимость в установке дополнительного аварийного насоса меньшей мощности, т.к. турбину можно связать с основным ЦОН, т. е. построить гидравлический турбонасосный агрегат.

Возникает вопрос: а может ли гидравлический турбонасосный агрегат вместо электронасосного агрегата полностью обеспечить энергонезависимость системы отопления от внешней электросети? Для ответа на него в той же работе [3] рассмотрен баланс располагаемой (т.е. избыточной) гидравлической мощности магистрального потока теплоносителя на ТП и мощности, необходимой ЦОН для обеспечения температурного графика потребления тепла из системы отопления. Анализ температурных графиков централизованного теплоснабжения, принятых в регионах средней полосы России, и количественная оценка перепада давления в греющем контуре для среднестатистических ТП, обслуживающих преимущественно жилые и административные здания, позволил авторам работы [3] сделать вывод, что обеспечить полную энергонезависимость системы отопления от внешней электросети при использовании турбонасосного агрегата практически невозможно. Иными словами, располагаемая мощность турбопривода оказывается на 39−48% меньше мощности, необходимой насосу. Только в отдельных исключительных случаях, когда избыточный перепад давлений на ТП превышает 0,86 МПа или когда к ТП подключена мощная система вентиляции с тепловой нагрузкой, превышающей суммарную нагрузку систем отопления и ГВС как минимум в 1.5 раза, можно рассматривать турбонасосный агрегат в качестве полноценной замены электронасосного агрегата.

турбонасосный отопление электросеть теплоснабжение Несмотря на сделанный вывод, система с турбонасосным агрегатом остается весьма перспективной. Проблема недостатка мощности турбины для нормальной работы ЦОН в штатном режиме решается достаточно просто [4] (рис. 1): на валу, связывающем турбину с ЦОН, устанавливаются якорные обмотки асинхронного электродвигателя, статор которого подключен к внешней электросети. Сформированный таким образом электропривод, дополняющий турбину, обеспечит добор 39−48% недостающей насосу мощности из электросети, т.к. частота вращения ротора будет всегда синхронизирована с частотой тока в электросети вне зависимости от баланса мощностей турбины и ЦОН. При отсутствии же электроснабжения ТП турбина, оставаясь кинематически связанной с ЦОН, обеспечит его работу в аварийном режиме с понижением мощности ЦОН на те же 39−48%, что соответствует снижению циркуляции теплоносителя в системе отопления лишь на 16−20%.

В реальных условиях эксплуатации среднестатистического ТП с турбоэлектронасосным агрегатом (ТЭНА) с отопительной нагрузкой 3.5 Гкал/ч экономия электроэнергии на привод ЦОН составит не менее 40% за отопительный сезон (рис. 2).

Помимо повышения энергоэффективности ТП наличие турбины в сетевом теплофикационном контуре, «забирающей на себя» избыточный перепад давлений? Р_изб), повышает надежность штатного оборудования теплового пункта (рис. 3):

¦ исключается кавитация в регулирующих клапанах и теплообменниках за счет перераспределения давлений в сетевом теплофикационном контуре;

¦ повышается устойчивость управления — регулятор расхода всегда работает при номинальном перепаде давлений? Р_ном) в зоне линейной характеристики.

Кроме того, повышается надежность работы теплосети, т.к. при наличии на ТП дополнительного гидравлического сопротивления за теплообменным аппаратом в виде турбины не требуется увеличивать давление в обратной магистрали теплосети с ростом температуры подающего теплоносителя.

И, конечно же то, с чего началась эта статья — эффект обеспечения энергонезависимости системы отопления от электроснабжения ТП. Выше показано, что полной энергонезависимости за счет утилизации избыточной гидравлической энергии получить невозможно. Однако посредством ТЭНА можно значительно снизить темп остывания обслуживаемых зданий и, в пределе, иметь аварийную систему, гарантированно обеспечивающую минимальное теплоснабжение потребителей при авариях в электросети (рис. 4).

В настоящее время специалистами ЗАО «ОПТИМА» в консорциуме со специалистами НИУ «МЭИ» при участии ЗАО «ГИДРОГАЗ» и финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2013 гг.» разработана и реализована энергосберегающая рекуперационная установка аварийного теплоснабжения (ЭРУАТ). Пилотный образец ЭРУАТ с двумя ТЭНА (рис. 5) (основным и резервным) интегрирован в ЦТП № 02−07−0924/110 филиала № 2 «Северный» ОАО «МОЭК» (рис. 6). Установка в конце отопительного сезона (апрель 2013 г.) успешно прошла приемочные испытания и с наступлением отопительного сезона 2013;14 гг. будет запущена в постоянную эксплуатацию. Результаты опытной эксплуатации будут представлены в последующих публикациях.

• 1. Куличихин В. В., Парыгин А. Г., Волкова Т. А. Повышение эффективности централизованного теплоснабжения за счет использования избыточного магистрального давления // Новое в российской электроэнергетике. 2011. № 12.
• 2. Парыгин А. Г., Волкова Т. А., Куличихин В. В. Использование автономных источников электроэнергии для повышения надежности функционирования систем теплоснабжения // Надежность и безопасность энергетики. 2012. № 4 (19).
• 3. Парыгин А. Г., Волкова Т. А., Куличихин В. В. О энергонезависимости и надежности тепловых пунктов // «Энергетик», 2013. № 3.
• 4. Парыгин А. Г., Рыженков В. А., Волков А. В. и др. Тепловой пункт с системой рекуперации избыточного магистрального давления. // Бюл. Изобретения. 2011. № 14.