Совместная работа тепловых насосов с парогазовой установкой и оценка их эффективности

Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов является важнейшим условием экономического развития страны. Особенно это задача станется более важной перед странами зависят полностью от импорта теплоносителя как, например Иордания.

В отличие от некоторых других стран на Ближнем Востоке Иордания не имеет нефти и полностью зависит от импортируемых теплоносителей из соседних стран. В 2004 году страна использовала 6,49×106 тонн условного топлива (т.у.т.) по сравнению с 4,49×106 тонн в 1996 году. Это энергетическое потребление разделено между транспортными, промышленными, резидентными и коммерческими и общественными секторами с 40%, 22%, 18% и 20% соответственно [74]. В течение последнего периода цена теплоносителя резко увеличилась, и экономическое состояние Иордании сложилось. Это приводит к переоценке различных способов экономии топлива: то, что раньше не оправдывалось экономически, теперь становится выгодным. Например, 1−2 года назад в Иордании никто не использовал электричество для отопления, но на сегодняшний день много жителей страны обогревают их дом с помощью электрической батарей из-за высокой цены керосина и сжиженного газа (популярные топлива в стране).

Проблема обеспечения растущих потребностей в топливно-энергетических ресурсах включает комплекс задач по поиску и разработке альтернативных источников энергии и внедрению рациональных способов сокращения расхода топлива.

Одним из эффективных мероприятий по экономии топлива и воды, а также по защите окружающей среды, представляется широкое использование теплонасосных установок (ТНУ), преобразующих природную низкопотенциальную теплоту и тепловые отходы в теплоту более высокой температуры, пригодную, в частности, для теплоснабжения [66]. На ТЭС и в котельных эксергия топлива преобразуется в эксергию продуктов сгорания, которая используется для получения электроэнергии и передается другим энергоносителям (воде, водяному пару). В традиционных системах теплоснабжения для получения новых количеств эксергии потребляется новые количества первичных энергоресурсов (топливо). В теплонасосных установках значительная часть (70−80%) эксергии преобразуется из низкопотенциальной теплоты с затратой некоторой доли (20−30%) первичной эксергии [57].

Согласно прогнозам мирового энергетического комитета к 2020 году 75% теплоснабжения в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает около 20 млн. ТН различной мощности. Так, например, в Швеции общее количество теплоты, вырабатываемой теплонасосными установками (ТНУ), составляет около 50% [49].

Однако в Иордании широкого распространения ТНУ не получили из-за отсутствия достаточно проработанных и экономически обоснованных схем использования для утилизации низкопотенциальной теплоты от крупных источников.

Поэтому исследования в области использования теплонасосных установок для систем теплоснабжения промышленных электростанций являются актуальными.

Целью работы является повышение эффективности использования низкопотенциальной теплоты в схемах теплоснабжения на основе применения теплонасосных установок. Предлагается применять ТНУ вместо градирен, что, помимо утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты позволяет: увеличить работу пара в турбине и, тем самым повысить выработку электроэнергииуменьшить расход прокачиваемой циркуляционной воды, соответственно снизив мощность циркуляционного насосаустановить оптимальные вакуум и температуру циркуляционной воды в конденсаторе в любое время годаснизить размер отчислений в экологический фонд за отбор свежей воды из рек и уменьшить сброс низкопотенциальной теплоты.

Иными словами, экономия (замещение) органического топлива с помощью ТН происходит за счет полезного вовлечения выбросов низкопотенциальной теплоты на ТЭЦ. Это достигается двумя способами: прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ) для ТН (в обход градирни) — использованием в качестве ИНТ для ТН обратной сетевой воды (ОСВ), возвращаемой на ТЭЦ, температура которой снижается до 20−25 °С.

Для достижения поставленной цели в диссертации предстояло решить следующие задачи:

• выполнить энергетический и эксергетический анализы тегаюнасосных установок;

• выбрать перспективный для применения в теплонасосных установках хладагент, который позволяет с наибольшей эффективностью осуществлять утилизацию низкопотентциальной теплоты, и одновременно уменьшить загрязнение окружающей среды;

• разработать комбинированную схему парогазовой установки с котлом-утилизатором (ЛГУ с КУ) и с применением теплового насоса для использования теплоты охлаждающей воды и уходящих газов;

• выполнить технико-экономические расчеты по эффективности применения тепловых насосов в составе ПТУ с КУ.

Основные методы научных исследований. В работе использованы методы вычислительной математики, теории тепломассообмена, методы технико-экономических расчетов в энергетике, термодинамического анализа энергоустановок.

Научная новизна работы заключается:

1. В разработке комбинированной схемы ПТУ с КУ с применением теплового насоса, использующего теплоту охлаждающей воды конденсатора паротурбинной установки.

2. В проведении энергетического и эксергетического анализа циклов комбинированной схемы ПГУ с КУ и с тепловым насосом и без него.

3. В анализе зависимости технико-экономических показателей парокомпрессионных теплонасосных установок от параметров низкопотенциального теплоносителя и от конструктивных схем исполнения теплонасосных установок.

Достоверность исследований Применены современные методы термодинамического анализа (энергетического и эксергетического анализа) прямых и обратных циклов, проведено сопоставление полученных результатов исследований известных ученых в области теплового насоса.

Практическая ценность работы. Обоснованные в работе предложении по техническим решениям позволяют добиться надежной и качественной работы теплонасосных установок. Результаты работы могут использоваться эксплуатационными и проектными организациями при выборе способов утилизации низкопотенциальной теплоты на промышленных электростанциях с применением тепловых насосов и одновременными решением экологических проблем.

Реализация результатов работы. Рекомендации по выбору способов утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ (теплота охлаждающей воды в конденсаторе паровой турбины и теплота уходящих газов) с помощью теплонасосных установок.

Автор защищает:

1. Технические решения по комплексному использованию низкопотенциальной теплоты от различных источников (охлаждающей воды в конденсаторе паровой турбины и уходящих газов котла-утилизатора) на промышленных электростанциях с применением парокомпрессионных тепловых насосов.

2. Результаты энергетического и эксергетического анализов эффективности применения тепловых насосов для использования низкопотенциальной теплоты промышленных электростанций для отопления, горячего водоснабжения и нагрева питательной воды котла-утилизатора. Публикации. По теме диссертация опубликовано 8 печатных работ. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Основной текст изложен на 150 страницах, диссертация содержит 46 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников, включающий 76 наименования.

4.4 Выводы по главе.

1. Было показано, что дополнительная электрическая энергия, полученная при использовании ТН в составе КЭС покрывает только небольшую долю электрической энергии, необходима на привод компрессора ТН для того, чтобы понизить температуру охлаждающей воды (на 1 К).

2. Применение ТНУ для утилизации теплоты сбросных теплоносителей в системах энергоснабжения предприятий может обеспечивать значительную экономию топлива только при оптимальных режимах их работы и минимальных температурных напорах в теплообменных аппаратах.

3. Достигаемая экономия топлива при работе ТНУ существенно зависит от глубины охлаждения в ней утилизируемого «холодного» и степени нагрева горячего теплоносителей.

4. Утилизация теплоты сбросного теплоносителя с низкой температурой наиболее выгодной оказывается при нагреве в ТНУ воды для горячего водоснабжения (на бытовые нужды).

5.

Заключение

и выводы по диссертации.

1. ТЭС представляет собой идеальный объект для применения ТНУ, поскольку является одновременно источником низкопотенциальной (сбросной) теплоты и потребителем теплоты более высокого потенциала. Показано, что дополнительная электрическая энергия, полученная при использовании ТН в составе КЭС покрывает только небольшую долю электрической энергии, необходима на привод компрессора ТН для того, чтобы понизить температуру конденсации пара в конденсаторе.

2. Применение ТНУ для утилизации теплоты сбросных теплоносителей в системах энергоснабжения предприятий может обеспечивать значительную экономию топлива (Для сравнения экономии топлива в качестве установки, замещающей ТНУ, примем котельную с удельным расходом топлива Ьткот, кг/(кВт.ч). Расход топлива на выработку израсходованной на привод ТНУ электроэнергии будет определяться через удельный расход топлива на КЭС, равный Ь3^, кг/(кВт.ч) только при оптимальных режимах их работы и минимальных температурных напорах в теплообменных аппаратах.

3. Достигаемая экономия топлива при работе ТНУ существенно зависит от глубины охлаждения в ней утилизируемого «холодного» и степени нагрева горячего теплоносителей.

4. При использовании ТНУ с газотурбинным приводом и при наличии аккумуляторов теплоты делает ТЭС маневренным энергоисточником, способным покрывать не только пики электрической нагрузки, но и аккумулировать энергию в часы ночных провалов электропотребления. Кроме того, тепловые насосы могут выполнять функции аварийного резерва.

5. Оптимальный хладагент должен иметь низкую теплоемкость и высокую теплоту парообразования (теплоту фазового перехода), г0. Кроме того, хладоагенты для теплового насоса должны выбираться такими, у которых большая величина {dT/tis)^.

6. Одним из путей повышения эффективности ТН является использование охладителя перегретых паров рабочего тела, отдельного от конденсатора. При этом внешняя необратимость, связанная с условиями взаимодействия системы с приемником энергии, уменьшается, что приводит к повышению эффективности ТНУ. Иными словами, введение ОП приводит к уменьшению разности температур потоков в ОП, и в результате повышается эксергетический КПД конденсатора.

7. Применение ТНУ повышает экологичность ТЭС, так как способствует снижению тепловых и химических вредных выбросов в окружающую среду.