Оптимизационные исследования комбинированных теплопроизводящих установок с тепловыми насосами

Затраты топлива на цели теплоснабжения в нашей стране весьма велики и составляют более 50%. Значительная часть существующих систем централизованного теплоснабжения используют в качестве источников тепла теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), осуществляющие комбинированное производство тепловой и электрической энергии. В остальных системах источниками тепла служат, как правило, котельные. В них осуществляется передача тепла от высокотемпературных продуктов сгорания органического топлива к теплоносителям (как правило, воде или пару) имеющим относительно низкую температуру.

Однако комбинированное производство тепла и электроэнергии не всегда целесообразно. Это может быть вызвано особенностями региональных энергосистем, когда потребности в электроэнергии покрываются другими источниками (например, гидроэлектростанциями). Отказ от производства электроэнергии на тепловом потреблении может быть обусловлен неблагоприятной экологической обстановкой, когда не желателен дополнительный расход топлива, связанный с выработкой электроэнергии. Кроме того, потребители тепла могут быть рассредоточены или их подключению к ТЭЦ препятствуют особенности местности.

В таких условиях одним: из наиболее рациональных способов повышения энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения является использование: теплонасосных установок (ТНУ), позволяющих с наименьшими затратами комплексно решать, проблемы экономии первичных энергоресурсов и снижениявредных выбросов в окружающую среду.

Тепловой насос осуществляет передачу энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой. Поскольку в соответствии со вторым законом термодинамики тепловая энергия без каких либо внешних воздействий может переходить только с более высокого температурного уровня на более низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимоиспользовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи энергии в направлении, противоположном естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле. Энергоносители, поставляющие тепловую энергию с низкой температурой для осуществления теплонасосного цикла, называют источниками низкопотенциального тепла (ИНТ). В этом качестве используют наружный или сбросной воздух, грунтовые, поверхностные или сбросные воды, промышленные стоки, тепло грунта и т. п. Энергоносители, воспринимающие втеплонасосномциклетепловуюэнергиюповышенногопотенциала, называют приемниками тепла. Для ТНУ, используемых для теплоснабжения, в качестве приемников тепла используют воду или воздух.

Среди различных: типов тепловых насосов наибольшее распространение получили парокомпрессионные установки. Единичные мощности их составляют от нескольких ватт до десятков мегаватт. Для привода компрессора парокомпрессионной ТНУ используют электродвигатели и двигатели внутреннего и внешнего сгорания (газовые или нажидком органическом топливе). В крупных ТНУ возможно применение газотурбинной установки (ГТУ). При этом тепло уходящих газов газовой турбины можно использовать для догрева сетевой воды.

Энергоноситель, служащий источником теплоты, поступает в испаритель парокомпрессионной ТНУ, где испаряется жидкий хладагент. Теплота испарения, необходимая для этого, отбирается от источника низкопотенциального тепла, т.к. испарение хладогента происходит при низкой температуре. В круговом цикле пары испарившегося хладогента всасываются компрессором и сжимаются до высокого давления. При сжатии их температура повышается, что — создает возможность отдачи тепловой энергии теплоприемнику. Пары хладогента при повышенном давлении поступают в конденсатор, через который протекает энергоноситель, служащий приемником тепла. Его температура ниже температуры паров хладогента при повышенном давлении. При конденсации пара выделяется тепловая энергия, воспринимаемая теплоприемником. Из конденсатора жидкий хладогент через регулирующий вентиль (дроссельный клапан) или детандер поступает в испаритель, и круговой цикл замыкается. Врегулирующем вентиле высокое давление, при котором находится хладогент на выходе конденсатора, снижается до давления в испарителе. В: детандере при этом производится механическая работа. Таким образом, с помощью теплового насоса возможна передача тепловой энергии от источника теплоты с низкой-температуройк приемнику теплотьь с высокой-температуройпри-подводе извне механической энергии для привода компрессора.

Режим работы установки, когда* потребности в тепле покрываются только от ТНУ, называют моновалентным. В бивалентных системах, или комбинированных теплопроизводящих установках (КТУ) тепло производится двумя независимыми устройствами. Следует отметить, что моновалентные ТНУ применяются в основномв системах отопления, в которых теплоноситель имеет относительно низкую температуру (напольные, стеновые и т. п.). Когда тепло отпускается в виде горячей воды, имеющей более высокую температуру (например, по температурному графику 95/70 °С) чаще применяют бивалентные системы отопления, т.к. использование дорогостоящей ТНУ для — покрытия пиковой части графика тепловой нагрузки, имеющей, как правило, малую продолжительность, является нерациональным.

Значительные экономические и экологические достоинства ТНУ делают их перспективной технологией в области теплоснабжения для большинства регионов и стран мира. В настоящее время во многих странах находится в эксплуатации значительное число теплонасосных установок различных типов [15, 40, 69, 71, 76, 78, 84, 89, 92]. Причем их количество с каждым годом возрастает. Общее число ТНУ в мире к настоящему времени оценивается в 64 млн. штук [71]. Например, в 1996 году в Германии было установлено почти 2 тыс. тепловых насосов, причем 93% в коммунальном секторе, 5% на промышленных предприятиях [96]. Правительства некоторых, стран (Германия, Швейцария) через национальные программы энергосбережения оказывают существенную поддержку домовладельцам применяющим ТНУ [40, 88, 89]. Следует отметить, что большая часть (около 68%) новых ТНУ имеют тепловую мощность в пределах до 15 кВт, что соответствует потребностям в тепле отдельного дома с отапливаемой жилой площадью 140 м [76]. В тоже время, в эксплуатации находятся достаточно крупные теплонасосные-установки, — Ведутся-активные работы по-переоборудованию-существующих систем централизованного отопления, использующих в, качестве источника тепла котельные, на теплоснабжение от комбинированных установок, включающих ТНУ.

В Швеции расположена одна' из крупнейших отопительных станций, утилизирующая тепло сбросной воды очистительных устройств посредством четырех тепловых насосов по 50 МВт каждый и снабжающая теплом пригород г. Гетеборга [40, 61]. В Цюрихе (Швейцария) работает ТНУ тепловой мощностью 13 МВт, причем в качестве источника низкотемпературного тепла ей служит речная вода, а теплонасосная установка работает в комбинации с котельной на органическом топливе [95]. В Германии, в городе Дюссельдорфе работают две достаточно крупные ТНУ, использующие в качестве: источника низкотемпературного тепла атмосферный воздух [86].

Использование тепловых насосов в нашей стране значительно отстает от их использования за рубежом. Это обусловлено тем, что энергетическая политика в нашей стране длительное время ориентировалась на централизованное электрои теплоснабжение. В сочетании с низкими ценами на органическое топливо это препятствовало широкому внедрению.

ТНУ. Однако сближение мировых и внутренних цен на топливо и рост тарифов на тепло, отпускаемое потребителям. из систем? централизован, но го теплоснабжения, является причиной возросшего интереса к ТНУ, который наблюдается в последние годы в нашей стране [15, 40, 60].

Вопросам исследования теплонасосных установок различных типов и их функционирования в составе систем теплоснабжения посвящено значительное количество работ, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом.

Наибольшее число этих работ посвящено вопросам оценки термодинамической эффективности ТНУ и определению экономии топлива и электроэнергиив- системах теплоснабженияпривключениив- ихсостав-теплонасосных установок [1, 27, 48, 49, 57, 62, 75, 78].

В ряде работ рассмотрены вопросы экономической эффективности использования ТНУ в системах теплоснабжения [63⁶⁵, 79, 82, 83, 91]. При этом учитываетсяэкономия затрат за счет снижения расхода топлива и? необходимость дополнительных капиталовложений в достаточно дорогое теплонасосное оборудование. Следует подчеркнуть, что в указанных выше, работах обоснование конструктивных характеристик, тепловых насосов не производится, а все расчеты осуществляются для тепловых насосов с заранее известными характеристиками.

Ряд работ [51, 85, 90, 93]? посвящен расчетам изменения термодинамических параметров и экономических характеристик тепловых насосов, вызванным переходом на озонобезопасные хладоны.

Всилу сложности процессов, протекающих в элементах КТУ,. всостав которой входит ТНУ, и переменного характера режимов ее работы выбор ее конструктивных характеристик и параметров, определяющих режимы работы, является весьма сложнойзадачей. Принятие обоснованных технических решений по таким установкам может быть выполнено только на основе широкого использования методов математического моделирования и оптимизации.

Разработки методов математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок (ТЭУ) ведутся как в нашей стране, так и за рубежом на протяжении нескольких десятилетий. Здесь в первую очередь следует отметить работы таких ученых, как Г. Б. Левенталь, Л. С. Попырин, А. А. Палагин, Л. А. Шубенко-Шубин, Г. Б. Усынин, В. П. Бубнов, Ю. В. Наумов, А. М: Клер, Н. П. Деканова, М.А. El-Masri, W.F. Stoecker, V. Grovic, С. Frangopoulos и др. [2, 4, 6,22, 28−34, 38, 39, 41−46, 58, 59, 67, 68, 70, 77, 94].

Были созданы эффективные методы оптимизации параметров энергоустановок, подходы- «к оптимизациисхем, — методы автоматизированного построения математических моделей. Предложены методы декомпозиции, позволяющие поэтапно проводить оптимизацию параметров технологических связей и внутренних параметров элементов ТЭУ. Выполнены многочисленные оптимизационные исследования теплоэнергетических установок разных типов: паротурбинных, газотурбинных, парогазовых на органическом и ядерном топливе, а так же комбинированных энерготехнологических установок, предназначенных для производства искусственного жидкого топлива и электроэнергии [16, 28, 29].

В Институте систем энергетики Сибирского отделения Российской Академии наук (ИСЭМ СО РАН) на протяжении длительного времени разрабатывались методы построения математических моделей сложных ТЭУ и методы оптимизации их схем и параметров. В работах Г. Б. Левенталя, Л. С. Попырина, Ю. ВНаумова, С. М. Каплуна [16, 22, 28, 32, 33, 41−44] разработаны методы комплексной оптимизации теплоэнергетических установок и схем. Выполнены многочисленные исследования паротурбинных и парогазовых установок, атомных электростанций. В ИСЭМ СО РАН разработан оригинальный подход к автоматизации построения программ расчета сложных ТЭУ, базирующийся на графовом представлении систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (работы В. Г. Карпова, JI.C. Попырина, В. И. Самусева, В. В. Эпелынтейна [16, 17]). Был создан программно-вычислительный комплекс «Система машинного построения программ» (СМПП), позволяющий автоматически генерировать программу расчета сложной ТЭУ на основе графического изображения технологической схемы и архивов математических моделей ее элементов, формировать задачи оптимизации параметров ТЭУ (назначить целевую функцию, а так же оптимизируемые параметры и ограничения-неравенства, задавать возможные границы их изменения).

Достаточно детально вопросы математического моделирования тепловых насосоврассматриваютсяв- ряде работ. Вработах [74- 81, 87] авторы уделяют значительное внимание разработке математических моделей элементов теплонасосных установок (компрессоров, испарителей и т. д.). С помощью этих моделей проводятся исследования по улучшению термодинамической эффективности, как отдельных элементов, так и ТНУ в целом.

В работах [64, 74, 80]- с помощью методов математического моделирования, проводятся энерго-экономические исследования различных типов теплонасосных установок, использующих различные источники низкопотенциального тепла, и эксплуатируемых в различных климатических зонах. Следует отметить, что в указанных выше работах, расчет теплонасосных установок проводился без оптимизации схемно-параметрических решений по экономическим критериям.

В ряде работ по: исследованию комбинированных теплопроизводящих установок, имеющих в своем составе ТНУ, авторы активно использовали методы математического моделирования иоптимизации для технико-экономических исследований.

В работах JI.A. Огуречникова [35−37] разработаны методика и алгоритм комплексного термодинамического и технико-экономического обоснования оптимальных параметров парокомпрессионных и абсорбционных ТНУ. С помощью разработанного алгоритма, реализованного в виде математической модели, определены энергетическая эффективность и экономическая целесообразность использования низкопотенциальных энергоресурсов для выработки тепловой энергии в парокомпрессионных теплонасосных установках. Выполнен системный анализ по определению границ и областей эффективности парокомпрессионных теплонасосных установок и абсорбционных тепловых насосов. Проведена оценка перспектив развития парокомпрессионных тепловых насосов с газовым приводом. Выполнен сравнительный анализ парокомпрессионных тепловых насосов с электроприводомкомпрессораи- абсорбционных тепловых насосовс паровым обогревом генератора при разных соотношениях цен на электрическую и тепловую энергию.

В работе [66] выполнен термодинамический анализ реальной установкивоздушного теплового насоса. Получены аналитические выражения, связывающие тепловую нагрузку с отношением предельных давлений для цикла Брайтона, по которому работает тепловой насос в условиях постоянной и переменной температуры теплового источника. Анализ учитывает необратимость процесса теплопередачи и потери, связанные с ней. Характеристики оптимальной эффективности цикла были получены оптимизацией распределения теплообменник поверхностей между теплообменниками и регенерирующего элемента, входящего в состав теплового насоса. Представлены детальные численные примеры, демонстрирующие влияние различных потерь на характеристики цикла теплового насоса. В работе [65] выполнено теоретическое исследование работы теплового насоса, который может получать тепловую энергию от теплового источника, окружающей среды и потребителя тепла. Введен критерий оптимальности: отношение между «выгодностью» и коэфициентом термодинамической эффективности. Результаты дают теоретическое обоснование для разработки и использования различных типов тепловых насосов. Целью работы была компромиссная оптимизация между экономическими параметрами (выгодностью) и. параметрами? термодинамических циклов.

Достаточно подробный технико-экономический анализ тепловых насосов и комбинированных теплопроизводящих установок с ТНУ проведен в работах О. Ш. Везиришвили [8−12]. В них автором проведен подробный термодинамический анализ циклов парокомпрессионных тепловых насосов. Предложены способы и средства повышения их энергетической эффективности. Проведена оптимизация соотношения мощностей теплового насоса и-пикового источника тепла: Оценены-перспективы вовлечения-ТНУ-в-топливно-энергетический комплекс страны и их роль в охране окружающей среды.

Анализ работ, посвященных исследованию теплонасосных установок и комбинированных теплопроизводящих установок, имеющих в своем составе ТНУ, показывает, что в данном направлении выполнено достаточное количество исследований, посвященных как термодинамическому анализу, так и технико-экономическим аспектам использованиям ТНУ в системах теплоснабжения. Для решения поставленных задач некоторыми авторами применялись методики, основанные на методах математического моделирования и оптимизации. В то же время оптимизационным технико-экономическим исследованиям с учетом переменного характера работы теплопроизводящих установок, включающих тепловой насос, не уделено должного < внимания. Не было разработано необходимых для решения таких задач методических подходов и математических моделей КТУ с тепловыми насосами, ориентированных на выполнение согласованных конструкторских (с целью определения конструктивных характеристик всех элементов КТУ и суммарных капиталовложений) и поверочных (с целью определения энергетической эффективности КТУ во всех представительных режимах) расчетов.

Решению указанной выше задачи посвящена данная диссертационная работа.

Целью настоящей диссертационной работы является:

Разработка методики оптимизации параметров теплопроизводящей установки с парокомпрессионным тепловым насосом, учитывающей ее функционирование в течение расчетного периода с переменной тепловой нагрузкойматематических моделей комбинированных теплопроизводящих установок с тепловым насосом, использующих в качестве низкопотенциального — источникатепло — сбросной — водыи- наружного — воз духа,-ориентированных на конструкторские и поверочные расчетыпроведение оптимизационных технико-экономических исследований этих установок с целью определения оптимальных параметров и условий их экономической эффективности.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие, наиболее важные результаты:

1. Методика оптимизации параметров комбинированной теплопроизводящей установки с тепловым насосом, учитывающая ее функционирование в течение расчетного периода с переменной тепловой нагрузкой.

2. Математические модели КТУ различных типов (с электроприводом компрессора теплового насоса и пиковым водогрейным котлом, комбинация теплового насоса и газотурбинной установки), с использованием различных источников низкопотенциального тепла.

3. Результаты оптимизационных технико-экономических исследований комбинированных теплопроизводящих установок различных типов.

Разработанные в рамках данной диссертационной работы математические модели реализованы в виде программ, используемых в составе: созданного в ИСЭМ СО РАН программно-вычислительного комплекса СМПП для персональных компьютеров.

Практическая ценность:

Разработанный методический подход может быть применен как на стадии проектирования новых, так и при реконструкции существующих систем теплоснабжения и теплоисточников. С помощью данной методики и разработанных математических моделей возможно проведение технико-экономических исследованийКТУ с тепловыми насосами с учетом региональныхособенностей.

Апробация работы:

Результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах и обсуждались: на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2002 г., 2003 г., 2004 г.) — на третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (Благовещенск, 2003 г.) — на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2004 г.).

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 120 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных в рамках диссертации исследований получены следующие основные результаты.

1. Разработана методика оптимизации параметров теплопроизводящей установки .на базе ТЕГУ, учитывающая ее функционирование в течение расчетного периода с переменной тепловой нагрузкой.

2. Разработаны математические модели элементов теплового насоса (испарителя, конденсатора, фреонового компрессора), позволяющие проводить как конструкторский, таки. поверочныерасчеты ТНУ.

3. Разработаны математические модели комбинированных теплопроизводящих установок различных типов (с электроприводом компрессора теплового насоса и пиковым водогрейным котлом, комбинация теплового насоса и газотурбинной установки), использующих в качестве низкопотенциального источника тепло сбросных вод и наружного воздуха, ориентированных на конструкторские и поверочные расчеты.

4. Разработанные в рамках диссертационной работы метод оптимизации параметров КТУ с учетом переменных тепловых нагрузок и математические модели КТУ различных типов реализованы в составе программно-вычислительного комплекса СМПП-ПК.

5. Проведены оптимизационные технико-экономические исследования комбинированных теплопроизводящих установок различных типов с целью определения оптимальных параметров и условий экономической эффективности.

Г. Для КТУ с приводом от РТУ, использующих вкачестве, источника низкопотенциального тепла сбросную воду или наружный воздух и для КТУ с электроприводом компрессора ТНУ и водогрейным котлом на жидком органическом топливе, использующую в качестве ИНТ сбросную воду определены оптимальные конструктивные решения и соответствующие им цены отпускаемого установками тепла в широком диапазоне изменения цен на органическое топливо и электроэнергию.

7. С помощью разработанной методики оптимизационных технико-экономических исследований КТУ с учетом переменного характера тепловой нагрузки проведены исследования теплопроизводящих установок для теплоснабжения м/р «Перевал» г. Слюдянки. Проведено сопоставление экономической эффективности трех вариантов теплоснабжения м/р «Перевал»: ТНУ в сочетании с электрокотельной, ТНУ в сочетании с водогрейной котельной на жидком органическом топливе и отпуск всего тепла от электрокотельной. Показано, что. наилучшие технико-экономические показатели имеет вариант теплоснабжения м/р «Перевал» от установки, состоящей из ТНУ, использующую в качестве источника низкопотенциального тепла сбросную воду очистных сооружений г. Слюдянки и водогрейной котельной на жидком органическом топливе.