Оценка эффективности использования в тепловом насосе тепла из обратного трубопровода тепловой сети при теплоснабжении от ТЭЦ

Введение

Существует много вариантов использования тепловых насосов в разных сферах энергопотребления, и основной проблемой во всех этих вариантах остается выбор источника низкотемпературного тепла. В связи с трудностями отбирания энергии от низкотемпературных источников, у некоторых проектировщиков возникают идеи использования теплоты из обратного трубопровода системы централизованного теплоснабжения, которую во многих случаях и отобрать несложно, и температурный потенциал этого источника тепла удобен для использования в тепловом насосе.

Абсурдность такого подхода к выбору источника тепла, казалось бы, очевидна, потому что теплота, отнятая от воды из обратного трубопровода тепловой сети, будет подогрета в котельной теплотой сгорания топлива, а для выработки электрической энергии, используемой для привода компрессора теплового насоса, будет дополнительно сожжено топливо на электростанции. При этом владельцу теплового насоса пришлось бы платить не только за электрическую энергию, но и за тепло, отобранное от воды из обратного трубопровода.

Вместе с тем, при теплоснабжении от ТЭЦ могут возникнуть сомнения относительно абсурдности или эффективности использования теплоты обратной воды, поскольку при понижении температуры конденсации отработанного в энергетической турбине водяного пара будет увеличена выработка электрической энергии. Оценить энергетическую эффективность того или иного технического решения в теплоэнергетике можно, выполнив анализ, целью которого является определение расхода топлива в различных схемах энергообеспечения.

энергообеспечение тепловой насос конденсатор Сравнение различных схем энергообеспечения от ТЭЦ без использования теплового насоса и при его наличии Рассмотрим две схемы, которые приведены на рис. 1.

Для упрощения анализа принято, что в обеих схемах использованы турбины с противодавлением, в которых промежуточные отборы пара не используются, а теплота конденсации всего отработавшего в турбине пара передается в систему теплоснабжения. Кроме того, вместо множества тепловых насосов, которые могут быть установлены в зданиях, условно работает один тепловой насос, смонтированный непосредственно на ТЭЦ. Примем также, что в результате применения теплового насоса тепловая мощность системы теплоснабжения не изменилась и осталась равной Q₁.

В традиционной схеме, А пар высокого давления из котла 1 поступает в турбину 2, соединенную с электрогенератором 3, который выдает мощность N₁, используемую потребителем. Часть энергетического пара отбирается из турбины и направляется в конденсатор 4 системы теплоснабжения 5, работающей в переходном режиме с тепловой мощностью Q₁ при температурах теплоносителя 70−40 ^ОС. При этом ТЭЦ потребляет топливо в количестве B₁.

В схеме Б система теплоснабжения 5, работающая при традиционных для существующих отопительных систем температурах теплоносителя в переходном режиме 70−40 ^ОС, дополнительно оборудуется тепловым насосом, включающим в себя компрессор 6 с электродвигателем 7, конденсатор 8 и испаритель 9. При этом оборудование ТЭЦ будет работать с пониженной температурой конденсации энергетического пара, выдавая теплоноситель с температурами 30−10 ^ОС, который используется в испарителе 9 теплового насоса.

Электрическая мощность N₃, используемая компрессором теплового насоса, определяется зависимостью:

N₃=Q₁/ е, (1).

где е — коэффициент преобразования теплового насоса.

Теоретическое значение е определяется формулой Карно:

е = TК/(TК-TИ),(2).

в которой ТК и ТИ — соответственно температура конденсации и испарения холодильного агента в тепловом насосе.

Если принять соответственно принятым параметрам теплоносителей Т_К=273+70=343 К и Т_И=273+10=283 К, то е=343/(343−283)=5,72.

Фактические коэффициенты преобразования тепловых насосов зависят от многих факторов, но они всегда меньше теоретических значений в 1,7−1,9 раза. Для дальнейших расчетов примем е=5,72/1,8=3,2. Подставляя это значение в формулу (1), получим N₃=0,312*Q₁.

Тепловая нагрузка конденсатора ТЭЦ в схеме Б: Qк=Q₁-N₃=0,688*Q₁.

Для дальнейшего анализа воспользуемся данными [1] о зависимости выработки электроэнергии на тепловом потреблении ТЭЦ от температуры конденсации энергетического пара. Эти данные для турбины, использующей пар с температурой 540 ^ОС, иллюстрируются графиком, изображенным на рис. 2.

Пользуясь графиком определено, что для условий нашего анализа величина э_Т составляет 187 кВтч/ГДж для схемы, А и 235 кВтч/ГДж для схемы Б.

При условной тепловой мощности системы теплоснабжения Q₁=1 ГДж/ч, электрическая мощность N₁=187 кВт, а N₂+N₃=0,688Q_r*235=162 кВт.

По формуле (1) N₃=1/3,2=0,312 ГДж/ч или 87 кВт, а, следовательно, N₂=162−87=75 кВт Это означает, что потребители электрической энергии, получавшие 187 кВт по схеме, А от ТЭЦ, будут получать только 75 кВт, а недостающие ДН=187−75=112 кВт должны вырабатываться на конденсационной электростанции, электроэнергия в которой генерируется по конденсационному циклу.

Расход условного топлива на ТЭЦ, работающей по схеме А:

Ва=В₁=b_ТЭЦ*N₁+Q₁/(q_Bз_К), кг/ч. (3).

Расход условного топлива на ТЭЦ, работающей по схеме Б:

B₂=b_ТЭЦ*(N₂+N₃)+Q₂/(q_Bз_К), кг/ч. (4).

Расход условного топлива в энергосистеме, включающей в себя ТЭЦ, работающую по схеме Б, и конденсационную электростанцию (КЭС), которая не показана на рис. 1:

B_Б=B2+bкэc*ДN, кг/ч.(5).

В этих формулах: b_ТЭц и b_КЭС — величины удельного расхода условного топлива, идущего на выработку электроэнергии на ТЭЦ и КЭС соответственно. Примем [1] эти значения равными соответственно 0,155 и 0,35 кг/кВт.ч; q_B — теплотворная способность условного топлива, равная 7000 ккал/кг или 0,029 ГДж/кг; з_к — КПД котельной ТЭЦ, принимается равным 0,85; Q₂ — тепловая мощность конденсатора ТЭЦ в схеме Б, равная 0,688Q₁; ДН — недостающая в схеме Б электрическая мощность, равная 112 кВт.

В результате вычислений по формулам (3−5) получаем:

В_а=В₁=0,155.187+1/(0,029.0,85)=69,5 (кг/ч);

B₂=0,155.(75+87)+0,688/(0,029.0,85)=53 (кг/ч);

В_б=53+0,35.112=53+39,2=92,2 (кг/ч). Результаты технико-экономических расчетов сведены в таблицу.

Выводы Энергетическая система с тепловым насосом, использующим теплоту низкотемпературного отбора паровой турбины ТЭЦ, работает с превышением расхода топлива по сравнению с обычной энергетической системой от ТЭЦ. Применение тепловых насосов в любой централизованной системе теплоснабжения, в том числе в системе с ТЭЦ, энергетически неэффективно.

1. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. — М.: Энергоиздат. 1982.

Журнал «Новости теплоснабжения» № 01 (125) 2011 г., http://www.ntsn.ru/1_2011.html.