Получение электрической энергии в системах тепло-и водоснабжения на основе рекуперации избыточного магистрального давления

Получение электрической энергии в системах теплои водоснабжения на основе рекуперации избыточного магистрального давления.

Д.т.н. А.В.Волков, заместитель заведующего кафедрой

к.т.н. А. Г. Парыгин, заместитель директора научного центра

д.т.н. В.А.Рыженков, профессор,

к.т.н. С.Н. Щербаков, директор филиал

Повышение эффективности энергоиспользования в России по-прежнему является одной из самых актуальных задач, имеющей для нашей страны национальное значение. В основном решение этой проблемы осуществляется в двух аспектах: с одной стороны — через повышение эффективности процессов и оборудования при производстве тепловой и электрической энергии, с другой стороны — через рациональное, бережное ее потребление, особенно в энергоемких сферах использования.

В современных условиях, когда отчетливо стал проявляться энергетический дефицит в крупных городах и ряде регионов страны, решение вышеобозначенной проблемы должно осуществляться весьма быстрыми темпами, по меньшей мере в ближайшие 5−10 лет. Очевидно, что запоздавшая модернизация энергетической отрасли России не позволит своевременно компенсировать возрастающую нехватку электрической энергии в бурно развивающихся регионах и мегаполисах. Это обстоятельство будет обуславливать интенсивный поиск, разработку и внедрение новых энергосберегающих решений, в первую очередь для устранения неоправданно теряемого (с технико-экономических позиций) огромного количества уже выработанной энергии.

Несомненно, что современный мегаполис не может обходиться без развитой системы водоснабжения различного назначения. Во всем мире удельное потребление воды в крупных городах с каждым годом неуклонно возрастает. Чтобы обеспечить эту потребность требуется наличие весьма протяженных магистральных коммуникаций. Например, для обеспечения промышленных предприятий и жилищно-коммунального комплекса г. Москвы водой различного назначения в настоящее время используются тысячи километров магистральных трубопроводов. Для ее транспортирования требуется огромное количество электроэнергии на привод насосов, используемых для создания магистрального давления в сетях. В частности, только в системе централизованного теплоснабжения г. Москвы, в которой вода используется в качестве теплоносителя, суммарная установленная мощность сетевых насосов, работающих только на тепловых электростанциях ОАО «Мосэнерго» без учета 74 теплостанций ОАО «МОЭК», составляет более 500 МВт, что необходимо для гарантированного обеспечения требуемым количеством тепла, в т. ч. и наиболее удаленных абонентов.

Применительно к теплоснабжению, абоненты, расположенные близко к источнику тепла, вынужденно получают теплоноситель с избыточным давлением, которое попросту дросселируется и безвозвратно теряется в тепловых пунктах. В качестве примера на рис. 1 приведены значения потерь давления при дросселировании потоков теплоносителя на 17-ти характерных тепловых пунктах, эксплуатирующихся в ОАО «МОЭК». Очевидно, значительная часть энергии, затраченной на создание магистрального перепада давления, является потерянной и составляет от 50 до 75% для всей представленной выборки тепловых пунктов.

В ОАО «МОЭК» эксплуатируется более 8600 центральных тепловых пунктов (ЦТП), в которых потери на дросселирование по самым грубым оценкам эквивалентны 100 МВт установленной электрической мощности. Даже в отсутствии дефицита энергии такие потери вряд ли могут быть оправданы.

В современных условиях появились научно-технические, экономические и социальные предпосылки существенного снижения такого рода потерь на основе рекуперации избыточного магистрального давления рабочих и технологических сред в электрическую энергию, что позволяет опосредованно частично компенсировать энергозатраты на привод сетевых насосов. Такая перспектива весьма заманчива, поскольку в итоге появляется объективный источник наиболее предпочтительного вида энергии, который не только не ухудшает, а, наоборот, способствует улучшению экологической обстановки, снижая общее количество сжигаемого углеводородного топлива в мегаполисе. Последнее обстоятельство может являться достаточно весомым аргументом при решении проблемы изменения климата планеты по причине выбросов парниковых газов в рамках Киотского протокола развитых стран по их ограничению.

Базируясь на вышеизложенном подходе, специалисты МЭИ (ТУ) и ЗАО «Оптима» при поддержке ОАО «МОЭК» разработали систему рекуперации избыточного магистрального давления применительно к системам централизованного теплоснабжения и внедрили ее в опытную эксплуатацию на десяти ЦТП в г. Москве. Система рекуперации давления (СРД) представляет собой минигидротурбину, оснащенную уникальным устройством автоматического управления. СРД позволяет преобразовать энергию избыточного магистрального давления тепловой сети в электрическую энергию для использования последней на собственные нужды ЦТП. Иными словами СРД, снижая потребление энергии из внешней электросети, обеспечивает частичный возврат (в форме электрической энергии) средств, затраченных на транспортировку теплоносителя к ЦТП. Система может быть включена как в «прямую», так и «обратную» магистраль подачи теплоносителя. На рис. 2 представлен один из вариантов установки СРД. В период пуско-наладочных работ установки показали полное соответствие реальных параметров расчетным.

Эффективность работы СРД показывает перспективность широкого применения их на ЦТП для повышения экономических показателей систем централизованного теплоснабжения. На рис. 3 представлена диаграмма выработки электроэнергии опытной партией СРД в период проведения пуско-наладочных работ, которые составили 2 месяца. Отметим, что в этот период все установки работали разное количество времени, на каждом ЦТП отрабатывались штатные и аварийные ситуации, проверялась работа автоматики для самого сложного случая эксплуатации — мгновенного отключения внешнего энергоснабжения ЦТП, когда ротор установки попадал в «разгонный» режим. Система автоматики надежно обеспечила работу СРД во всех режимах эксплуатации.

Разработанная система рекуперации имеет несколько модификаций изготовления и размещения в технологических циклах в зависимости от используемых систем теплоснабжения. В частности, СРД-2 разработана для установки в «обратную» магистраль первого теплофикационного контура ЦТП, имеющего независимую или смешанную схему теплоснабжения (рис. 4). Такое включение СРД в схему теплопункта обеспечивает снижение перепада давлений на регулирующих дроссельных клапанах теплофикационного контура за счет подпора со стороны гидротурбины СРД. Избыточный же перепад давлений преобразуется посредством гидротурбины в механическую энергию, а затем в электрическую посредством оригинального генератора.

Учитывая обратимость гидравлических и электрических машин, минигидротурбина строится на основе центробежного насоса со специально спроектированным рабочим колесом, работающим в турбинном режиме, и асинхронного электродвигателя в качестве генератора, ведомого сетью.

Одним из дополнительных положительных качеств СРД является способность демпфирования внешних магистральных возмущений давления, возникающих при резком перераспределении расходов в тепловой сети. Это свойство СРД обусловлено наклоном напорной характеристики гидротурбины (рис. 5), при этом в зависимости от расхода теплоносителя через ЦТП плавно меняется величина перепада давления на гидротурбине. Таким образом, СРД повышает устойчивость всей системы управления ЦТП к внешним возмущениям.

тепловой рекуперация давление сеть.

«Жесткая» характеристика гидроагрегата определяет еще одно его положительное свойство — возможность использования в качестве расходомера.

Конструкция СРД и ее системы управления разработана с учетом максимального удовлетворения требований, диктуемых современными условиями внедрения подобных систем:

• * полная автоматизация рабочего процесса, включая аварийные ситуации;
• * автоматизированный мониторинг и диагностика системы;
• * возможность интеграции с внешними компьютерными системами управления и диспетчеризации.

Результаты опытно-промышленной эксплуатации СРД подтвердили технико-экономическую эффективность такого рода систем, обусловленную следующими положительными свойствами при их работе в системах теплоснабжения:

• * получение электрической энергии нетрадиционным, экологически чистым способом, полностью отвечающим требованиям Киотского протокола;
• * повышение экономичности эксплуатации ЦТП до 30%;
• * повышение эксплуатационной надежности основного оборудования и ресурса дроссельной регулирующей арматуры ЦТП за счет снижения рабочего перепада давлений;
• * снижение энергетических затрат на привод насоса подпитки системы отопления за счет повышения входного давления подпитки;
• * возможность использования СРД как аварийного источника электроэнергии.

Дальнейшее повышение эффективности функционирования СРД на следующих этапах связано с расширением номенклатурного ряда разработанных систем рекуперации и проведением расчетно-экспериментальных исследований по повышению показателей качества отдельных элементов СРД.

• 1. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. 7-е изд. М.: Изд-во МЭИ, 2001. 472 с.
• 2. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978.
• 3. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. М.: Машиностроение, 1966.
• 4. Лопастные насосы: Справочник / Зимницкий В. А., Каплун А. В., ПапирА.Н., Умов В. А.; под общ. ред. Зимницко-го В.А. и Умова В. А. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986.
• 5. Система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водои теплоснабжения. Патент РФ № 2 239 752.