УДК 697.1 (07)

О ТЕПЛОНАСОСНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ В ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Абильдинова Сауле Кианбековна – доцент кафедры промышленной теплоэнергетики Алматинского университета энергетики связи, г.Алматы

Показано схемное решение использования теплонасосных технологии в централизованной системе теплоснабжения СЦТ. Тепловые насосы используют в качестве источника низкого потенциала обратную сетевую воду теплосети. При этом понижение температуры обратной воды позволяет передать большую часть сбросной теплоты ТЭЦ в теплосеть, повышая прирост электрической мощности теплофикационной турбины без затрат топлива.

Shows the schematic of the use of heat pump technology in the district heating system FS. Heat pumps are used as a source of low potential network back water heating system. The reduced temperature of the return water can pass most of the relief in the heat of CHP heating system, increasing the growth of electric power cogeneration turbine without the cost of fuel.

Система централизованного теплоснабжения СЦТ имеет свои недостатки и ограничения. Транспорт теплоты по тепловым магистралям большой протяженности сопряжен со значительными капитальными вложениями и большими тепловыми потерями. Для подключения в теплосети новых объектов застройщикам приходится преодолевать определенные трудности, в том числе финансовые. Действующие тарифы на тепловую энергию, в сочетании с затратами на подключение к городским тепловым сетям, заставляют все чаще задуматься над альтернативными способами теплоснабжения. Например, о совместном использовании традиционных источников теплоты с теплонасосными системами теплоснабжения (ТСТ).

Эффективность использования тепловых насосов в СЦТ [1-5] зависит от многих факторов, таких как: температурные уровни источника теплоты и потребителя, соотношение тарифов на теплоту и используемую энергию, уровень цен на используемую теплоту от источника (если необходимо за нее заплатить), тип использования привода компрессора и т.д. Под эффективностью в данном случае понимается превышение стоимости замещаемой теплоты (от другого источника) над энергетическими затратами ее производства в ТНУ.

При совершенствовании СЦТ необходимо учитывать важную техническую связь между тепломагистралями ТЭЦ и районными котельными (РК), которые используются сейчас только в чрезвычайных случаях. Тогда низкопотенциальное тепло (НПТ) ТЭЦ можно утилизировать с помощью ТНУ в РК [3,5]. Экономия (замещение) органического топлива с помощью ТНУ, в конечном счете происходит за счет полезного вовлечения выбросов НПТ на ТЭЦ. Более конкретно сокращение НПТ достигается прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ) для ТНУ.

Это достигается двумя способами:

- прямым использованием тепла технической воды охлаждающей конденсаторы ТЭЦ в качестве источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ) для теплового насоса (в обход градирни);

- использованием в качестве ИНТ для теплового насоса обратной сетевой воды, возвращаемой на ТЭЦ, температура которой снижается до 20…25⁰С.

Первый способ реализуется, когда тепловой насос размещен вблизи ТЭЦ, второй, когда он используется вблизи потребителей. В обоих случаях температурный уровень ИНТ достаточно высок, что создает предпосылки для работы теплового насоса с высоким коэффициентом преобразования.

С помощью ТНУ можно передать большую часть этой сбросной теплоты в теплосеть (около 50-60%). Для реализации второго способа рассмотрим схему теплонасосной станции (ТНС) для закрытой системы теплоснабжения на базе парокомпрессионных ТН, которая использует обратную сетевую воду как источник низкого потенциала. Данная схема предназначена как для покрытия тепловых нагрузок систем отопления или горячего водоснабжения. В качестве пикового источника теплоты используется водогрейный котел, сжигающий органическое топливо.

В принципиальной схеме допущены следующие обозначения:Q₀ - тепловая нагрузка испарителя; Q_ПК0, Q_ПКГ– тепловая мощность пиковой котельной, обеспечивающей, соответственно, тепловые нагрузки СО и СГВС; q_ПО – тепловая нагрузка переохладителя; t₁,t₂ – температура теплоносителя в подающей и обратной линиях системы отопления; t_г1, t_г2- температура теплоносителя до и после подогревателя горячей воды; t₃ , t_п- температура теплоносителя до и после конденсатора ТН, соответственно; t_хв, t_г – температура холодной водопроводной воды и горячей воды после подогревателя. ТНУ-теплонасосная установка; КМ- компрессор; К_ТНУ – конденсатор ТНУ; ПО - переохладитель; Д_р- дроссель; И_ТНУ – испаритель ТНУ; РЭП- регулятор электропривода; ПГВ- подогреватель горячей воды; СН1,СН2,СН3- сетевые насосы; Н1- насос холодной водопроводной воды;СГВС - система горячего водоснабжения; СО- система отопления; БА- бак-аккумулятор нагретой в ТНУ воды;БА2- бак-аккумулятор обратной сетевой воды; БА3- бак-аккумулятор горячей воды в СГВС; ПК- пиковая котельная.

Система работает следующим образом. Сетевая вода из обратной линии тепловой сети, с расходом G_c и с температурой t₂, поступает в бак-аккумулятор БА2, в котором смешивается с водой, поступающей из обратной линии СГВ (с расходом G_г и температурой t_г2). Из БА2 вода, с расходом G_K, равным сумме расходов G_c, G_г и температурой t₃ , сетевым насосом НЗ подается в конденсатор теплового насоса К_ТНУ , в котором нагревается до температуры t_п. После К_ТНУ нагретая вода поступает в БА1, который кроме аккумулирования теплоты, выполняет также функцию дефреонатора, т.к. обеспечивает испарение и удаление из воды фреона в случае аварийного нарушения герметичности трубок конденсатора. При работе ТНС по принудительному графику, способствующему выравниванию суточного графика нагрузки энергосистемы, в БА2 аккумулируется обратная сетевая вода в течение нерабочего времени ТНУ, а в БА1 - теплота (в виде горячей воды), выработанная на "провальной" или внепиковой электроэнергии. Из БА1 вода (с расходом G_K и температурой t_п) сетевым насосом Н2 подается в ПК, в которой разделяется на два потока. Поток с расходом G_c подается в водогрейную котельную, включенную в схему тепловой сети системы отопления СО, в которой, за счет подвода теплоты Q_nк0 нагревается до температуры t₁ и подается в прямую линию тепловой сети СО. Поток с расходом G_г подается в водогрейную котельную, включенную в схему тепловой сети СГВ, в которой, за счет подвода теплоты Q_nкг, нагревается до температуры T_г и подается в БАЗ, предназначенный для выравнивания суточных колебаний расхода горячей воды в системе горячего водоснабжения СГВ из-за неравномерности потребления горячей воды потребителями в течение суток. Из БАЗ горячая вода насосом Н4 подается в прямую линию тепловой сети системы СГВ, из которой поступает в подогреватель ПГВ, где охлаждается до температуры Т_г2. Вода с температурой Т_г2 поступает в обратную линию теплосети системы СГВ и, далее, в БА2.

Для подпитки системы подготовки сетевой воды в ТНУ используется холодная водопроводная вода после химводоочистки или рециркулирующие воды, которые предварительно нагревается в промежуточном охладителе фреона ПО и смешивается с обратной сетевой водой, направляемой в конденсатор.

Рисунок 3.4 - Принципиальная совмещенная схема закрытой системы теплоснабжения на бивалентных источниках теплоты

Система низкопотенциального источника теплоты НПИТ теплового насоса допускает два режима работы. В первом варианте вода из источника НПИТ с температурой t_н1 и общим расходом G поступает в испаритель И_ТНУ, в котором охлаждается до температурыt_н2. После И_ТНУ охлажденная вода сбрасывается в дренажную систему источника НПИТ. Источником НПИТ могут выступать грунтовые воды или сточные воды котельной. Для забора грунтовых вод необходима проложить грунтовые термоскважины.

Второй вариант режима работы НПИТ допускает прямое использование обратной сетевой воды после ПГВ и подачи ее в испаритель теплового насоса И_ТНУ. В испарителе, в процессе теплообмена с фреоном, обратная сетевая вода охлаждается до 20…25⁰С и сбрасывается в обратную тепломагистраль ТЭЦ.

Предложенная схема использования ТНУ в совместной работе с котельной позволяет сэкономить общий расход условного топлива при оптимизации температуры конденсации рабочего вещества (хладагента). На экономию расхода топлива влияет режим работы системы теплоснабжения в целом. Если в качестве источника тепла рассматривать только пиковый котел, в интервале изменения подогретой воды общий расход топлива сильно завышается от 25% до 42,4% по сравнению с бивалентной схемой теплоснабжения ТНУ-пиковый котел.

Выводы

1. Предложена бивалентная схема системы теплоснабжения, использующая два источника теплоты: водогрейный котел и ТНУ.

2. Обратная сетевая вода используется как источник низкого потенциала для реализации термодинамического цикла парокомпрессионного теплового насоса.

Список литературы

1. Карасев Н.И., Крицкий А.Б., Томилова Н.И., Цок Г.Н. Информатизация систем централизованного теплоснабжения в мегаполисах Казахстана. - http://www.tgid.kz/

2. Андрющенко А.И., Николаев Ю.Е., Семенов Б.А. Проблемы развития систем теплофикации городов//Проблемы энергетики. 2003. №5-6. - с. 95-104.

3. Абуев И.М. Системы теплоснабжения с применением тепловых насосов// Коммунальщик. 2007.№3. – с.60-61.

4. Руководство по применению ТНУ с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии и вторичных энергетических ресурсов. Агенство РК по делам строительства и ЖКХ от 4.11.2009 г. №114-1.

5. Белоусенко И.В. Основные направления концепции развития энергетики ОАО «Газпром» на основе применения собственных электростанций и энергоустановок/И.В. Белоусенко // Известия РАН. Энергетика. 2001.- № 5. - с. 54-63.