Повышение технико-экономических показателей парогазовых тепловых электростанций путем утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием тепловых насосов

Неуклонно растущая потребность в топливно-энергетических ресурсах наряду с их ограниченностью и тенденцией к удорожанию, на внутреннем рынке РФ, порождает необходимость их рационального использования. Как итог возникает комплекс задач по поиску и разработке альтернативных источников энергии, способных постепенно заместить ископаемые энергоресурсы. Существенное значение приобретает внедрение рациональных способов экономии органического топлива на крупных промышленных предприятиях.

В Энергетической стратегии России на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, целью энергетической политики России установлено максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. Также существенное внимание уделено задаче обеспечения экологической безопасности функционирования энергетического сектора России. Последовательное ограничение нагрузки ТЭК на окружающую среду и климат будет достигаться путем снижения выбросов загрязняющих веществ, сброса загрязненных сточных вод, а также эмиссии парниковых газов, сокращения отходов производства и потребления энергии.

Существенная роль в Энергетической стратегии России на период до 2030 года отводится развитию использования возобновляемых источников энергии. Их вовлечение в топливно-энергетический баланс позволит сэкономить органическое топливо, сбалансировать энергетический спрос, за счет удовлетворения нужд потребителей, расположенных как вдали от централизованных систем теплоснабжения, так и вблизи от них, а также снизить экологическую нагрузку со стороны предприятий энергетики на окружающую среду.

В федеральном законе N 261-ФЗ от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» в перечень мероприятий, подлежащих включению в региональные, муниципальные программы в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, одним из основных пунктов фигурируют мероприятия по увеличению количества случаев использования вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии.

Значительная часть потенциала энергосбережения, приходящаяся на низкотемпературные природные и тепловые вторичные энергетические ресурсы, может быть реализована двумя путями. Первый путь предусматривает трансформацию теплоты от более высокого температурного уровня теплоносителя к более низкому температурному уровню потребителя (реализуется при помощи теплообменников рекуперативного или регенеративного типа). Второй путь предусматривает использование трансформации теплоты к более высокому уровню температур (основывается на применении тепловых насосов (ТН)).

Создание комплекса технологического оборудования и разработка типовых технических решений по использованию тепловых насосов в системах теплоснабжения в крупных городах и городских образованиях отмечено в Энергетической стратегии России на период до 2030 года в качестве одного из приоритетных направлений научно-технического прогресса в энергетическом секторе.

Низкий потенциал низкотемпературных энергетических ресурсов, как правило, не позволяет транспортировать их на значительные расстояния, поэтому наиболее выгодной является ситуация, когда тепловая энергия генерируется вблизи потребителя. Этим обуславливается широкое применение тепловых насосов в децентрализованных системах теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей) и отсутствие в нашей стране крупных промышленных теплонасосных установок способных составить конкуренцию котельным или теплоэлектроцентралям.

Широкое распространение систем централизованного теплоснабжения в России, наряду с климатическими и географическими ее особенностями, дает возможность предположить, что переход к децентрализованному теплоснабжению на базе тепловых насосов в крупных масштабах в ближайшее время не осуществим. В качестве альтернативного решения могут выступать системы, комбинирующие централизованное теплоснабжение с теплоснабжением на базе тепловых насосов.

Значительный интерес в качестве объекта исследования возможностей использования низкотемпературных энергетических ресурсов с помощью теплонасосных установок представляют тепловые электростанции (ТЭС). Это обуславливается наличием на ТЭС значительного количества неиспользуемой низкопотенциальной теплоты, а также необходимостью подвода теплоты среднего или высокого потенциала для осуществления ряда технологических процессов, отопления и горячего водоснабжения объектов на территории тепловой электростанции. Обычно для этих целей используется высокопотенциальный пар, отбираемый от котлов или турбин ТЭС, либо дополнительные, менее эффективные источники теплоты. Это приводит к снижению тепловой экономичности работы ТЭС в результате уменьшения полезного отпуска электроэнергии или увеличения расхода органического топлива.

Утилизация при помощи тепловых насосов низкопотенциальной теплоты, образующейся на ТЭС, позволит усовершенствовать действующую технологию производства электрической энергии и теплоты, а также снизить нагрузку на окружающую среду, за счет уменьшения тепловых выбросов и потребления технической воды. Кроме того, увеличится доля альтернативных источников энергии в топливно-энергетическом балансе страны.

Использование теплонасосных технологий на ТЭС потребует создания ТН большой мощности. Это позволит реализовать такие преимущества крупных теплонасосных установок как более низкие удельные капитальные вложения (на единицу тепловой мощности), меньшая занимаемая площадь (по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов), более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов и теплового насоса в целом.

Тепловые насосы широко применяются за рубежом, однако, в российской энергетике широкого распространения они не получили. Это можно объяснить не только общим недостаточно активным развитием возобновляемой энергетики в нашей стране, но и сравнительно небольшим количеством обоснованных схем и технических решений, позволяющих утилизировать при помощи ТН низкопотенциальную теплоту на ТЭС.

В настоящее время большинство проектируемых и строящихся в нашей стране электростанций это ПГУ-ТЭС. Несмотря на их высокую тепловую экономичность, по сравнению с традиционными паросиловыми установками, вопрос экономии органического топлива не теряет своей первостепенности.

С учетом вышесказанного, в настоящее время одним из наиболее актуальных вопросов эксплуатации ПГУ-ТЭС является разработка и исследование технологий, позволяющих при помощи тепловых насосов использовать образующуюся низкопотенциальную теплоту.

Целью работы является разработка и исследование схем утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием ТН, позволяющих повысить технико-экономические показатели ПГУ-ТЭС.

В работе использованы методы термодинамического анализа энергоустановок, математического моделирования и технико-экономических расчетов в энергетике в сочетании с применением современных программных комплексов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены новые тепловые схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС:

— схема утилизации теплоты продувочной воды градирни для подогрева сырой воды перед химводоочисткой теплоэлектростанции (ТЭС);

— схема утилизации теплоты обессоленной воды, охлаждающей турбогенераторы для горячего водоснабжения (ГВС) зданий ТЭС;

— схема совместной работы теплофикационной установки (ТФУ) и ТН, позволяющая использовать теплоту обратной сетевой воды для ГВС зданий ТЭС.

2. Предложены аналитические зависимости, позволяющие определять граничные условия применения ТНУ в системах охлаждения агрегатов, в сбросных системах и совместно с ТФУ при использовании теплоты, отпускаемой от ТН, на собственные нужды ПГУ-ТЭС.

3. Предложены аналитические зависимости, позволяющие исследовать изменение коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС за счет применения ТН в технологической схеме, а также выбирать оптимальный вариант утилизации низкопотенциальной теплоты.

Предложенные и обоснованные в работе технические решения позволяют повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС и снизить неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Результаты работы могут быть использованы эксплуатационными и проектными организациями для внедрения схем утилизации низкопотенциальной теплоты с применением ТН при проектировании новых и модернизации действующих ПГУ-ТЭС. Материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений при подготовке специалистов по соответствующим специальностям.

Разработанные автором рекомендации по выбору схемы утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС с помощью ТН использованы:

— филиалом «Северо-Западная ТЭЦ» ОАО «ИНТЕР РАОЭлектрогенерация» при организации и проведении НИОКР для повышения эффективности работы филиала;

— ООО «Rainbow — Инженерные системы» при выполнении научно-исследовательской работы «Анализ перспектив применения технологий тригенерации и АБХМ на объектах Группы „ЛУКОЙЛ“ в Южном Федеральном Округе» .

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140 100 «Теплоэнергетика и теплотехника» при проведении практических занятий по дисциплине «Источники и системы теплоснабжения» .

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивается применением нормативной документации, а также статистических данных Северо-Западной ТЭЦ при разработке схем и математических моделей, проверке их адекватности и проведении с их помощью исследований.

Автор защищает:

1. Схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС, за счет утилизации низкопотенциальной теплоты продувочной воды градирни, обессоленной воды, охлаждающей турбогенератор и обратной сетевой воды;

2. Аналитические зависимости, позволяющие определить граничные условия применения ТН в системах охлаждения агрегатов, в сбросных системах и совместно с ТФУ при использовании теплоты, отпускаемой от ТН на собственные нужды ПГУ-ТЭС;

3. Аналитические зависимости, позволяющие исследовать изменение коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС за счет использования ТН в технологической схеме и выбирать оптимальный вариант утилизации низкопотенциальной теплоты;

4. Результаты расчетных исследований показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ при утилизации низкопотенциальной теплоты воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины (ПТ) и турбогенераторы, продувочной воды градирни и обратной сетевой воды;

5. Рекомендации по выбору схемы утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием ТНУ на ПГУ-ТЭС.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, в обосновании методов решения сформулированных задач, в разработке схем утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС, а также аналитических зависимостей и математических моделей, позволяющих исследовать показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ при использовании ТН в системах охлаждения, сбросных системах или работающими совместно с ТФУпомимо этого, в обработке, формулировке, обобщении полученных результатов и выработке рекомендаций по условиям и схемным решениям применения ТН на ПГУ-ТЭС.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Третьем Всероссийском Форуме «Наука и инновации в технических университетах» (2009 г.), на международных научно-практических конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (2007 — 2010 гг.) и научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» СПбГПУ.

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, две из них в издании, рекомендованном ВАК.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 95 источников, и 3 приложений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, включает 69 рисунков, 9 таблиц. Общий объем диссертации — 201 страница.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе выполнения работы над диссертацией были решены следующие задачи:

1. На примере Северо-Западной ТЭЦ произведен сравнительный анализ существующих на ПГУ-ТЭС неиспользуемых источников низкопотенциальной теплоты и оценен резерв экономии органического топлива за их счет. По результатам сравнительного анализа выявлены наиболее перспективные источники низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС.

Для применения в тепловых насосах на ПГУ-ТЭС рекомендовано использовать:

— воду, охлаждающую конденсатор паровой турбины (годовая экономия природного газа составит 30. 1 828 тыс. м);

— продувочную воду градирни (годовая экономия природного газа составит 185.461 тыс. м);

— обессоленную воду из системы охлаждения турбогенератора (годовая экономия природного газа составит 193.386 тыс. м);

— обратную сетевую воду (годовая экономия природного газа составит 172.992 тыс. м3).

2. Разработаны новые тепловые схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС за счет утилизации низкопотенциальной теплоты:

— схема утилизации теплоты продувочной воды градирни для подогрева сырой воды перед химводоочисткой теплоэлектростанции (ТЭС);

— схема утилизации теплоты обессоленной воды, охлаждающей турбогенераторы для горячего водоснабжения (ГВС) зданий ТЭС;

— схема совместной работы теплофикационной установки (ТФУ) и ТН, позволяющая использовать теплоту обратной сетевой воды для ГВС зданий ТЭС.

3. Рассмотрены возможные направления использования теплоты, отпускаемой от конденсатора теплового насоса на ПГУ-ТЭС, и установлено, что наиболее эффективным является использование тепловых насосов для отпуска теплоты на собственные нужды ТЭС (увеличение коэффициента использования теплоты топлива составляет до 0,22%, увеличение удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении составляет до 0,23%).

Использование тепловых насосов на ПГУ-ТЭС для отпуска тепловой энергии стороннему потребителю наряду с увеличением коэффициента использования теплоты топлива ведут к снижению удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

4. Получены аналитические зависимости для определения граничных условий применения ТН в технологической схеме ПГУ-ТЭС. На СевероЗападной ТЭС минимальное значение коэффициента преобразования, при котором использование ТНУ не будет приводить к снижению показателей тепловой экономичности:

— для ТН в системах охлаждения или сбросных системах — 2,81;

— для ТН, использующих в качестве ИНТ сетевую воду -4,1.

5. Разработаны аналитические зависимости для определения показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с ТНУ и математические модели, позволяющие исследовать влияние, оказываемое на показатели тепловой экономичности ПГУ тепловыми насосами, используемыми в тепловых схемах различных систем ТЭС, при различных направлениях применения тепловой энергии, отпускаемой от конденсатора ТН.

6. С использованием разработанных математических моделей проведены расчеты и исследовано влияние, оказываемое на показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС теплонасосными установками, используемыми в тепловых схемах различных систем ТЭС, при различных направлениях применения тепловой энергии, отпускаемой от конденсатора ТН. Получены численные значения повышения технико-экономических показателей (коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении) ПГУ-ТЭС при различных вариантах включения ТНУ в тепловую схему.

7. Разработаны рекомендации по выбору способа утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС при помощи теплонасосных установок (ТЕГУ), в соответствии с которыми установлено, что:

— низкопотенциальную теплоту воды из системы охлаждения конденсатора наиболее эффективно можно использовать для подогрева химобессоленной воды (срок окупаемости 3,5−5 лет);

— теплоту продувочной воды градирни наиболее эффективно можно использовать для приготовления химобессоленной воды (срок окупаемости 6 -11 лет);

— теплоту воды из системы охлаждения турбогенераторов наиболее эффективно можно использовать для горячего водоснабжения (срок окупаемости 13−18 лет);

— обратная сетевая вода может быть использована в тепловом насосе для горячего водоснабжения (срок окупаемости 4−7 лет).