Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Область применения теплонасосных технологий 12
1.2 Применение тепловых насосов в теплоэнергетике 15
1.3 Исторический аспект проводимого исследования 18
1.4 Существующие варианты включения теплового насоса в схемы ТЭС 21
1.5 Практическая реализация использования теплового насоса на ТЭС 44
1.6 Основные задачи исследования. 48
ГЛАВА 2. Сравнительный анализ источников низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС 49
2.1 Использование тепловых насосов на ТЭС 49
2.2 Использование естественных источников низкопотенциальной теплоты в условиях ПГУ-ТЭС 51
2.2.1 Использование низкопотенциальной теплоты грунта 51
2.2.2 Использование низкопотенциальной теплоты подземных вод 53
2.2.3 Использование низкопотенциальной теплоты воды естественных и искусственных водоемов 54
2.2.4 Использование низкопотенциальной теплоты наружного воздуха 56
2.2.5 Использование в тепловых насосах солнечной энергии 57
2.2.6 Выводы по результатам анализа естественных источников низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС 5 8
2.3 Использование искусственных источников низкопотенциальной теплоты в условиях ПГУ-ТЭС 60
2.3.1 Использование низкопотенциальной теплоты в системах охлаждения 61
2.3.2 Использование низкопотенциальной теплоты в сбросных системах 70
2.3.3 Использование в качестве источника низкопотенциальной теплоты 78
обратной сетевой воды
2.3.4 Выводы по результатам анализа искусственных источников низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС 80
2.4 Комбинирование источников низкопотенциальной теплоты 84
2.5 Направления применения теплоты, отпущенной от конденсатора теплового насоса в условиях ПГУ-ТЭС 85
ГЛАВА 3. Разработка и анализ схем утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС 89
3.1 Использование тепловых насосов в схемах оборотного технического водоснабжения с градирнями 89
3.2 Использование тепловых насосов в системе охлаждения турбогенераторов 95
3.3 Использование тепловых насосов для утилизации теплоты продувочной воды градирни 101
3.4 Использование тепловых насосов в составе теплофикационной установки 105
ГЛАВА 4. Определение показателей тепловой экономичности пгу-тэс с тепловыми насосами 110
4.1 Определение основных показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС ПО
4.2 Определение основных показателей тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с тепловым насосом 113
4.3 Использование низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС для компенсации тепловых собственных нужд 114
4.4 Использование низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС для отпуска тепловой энергии потребителю 122
4.5 Использование низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды на ПГУ-ТЭС 124
4.5.1 Отпуск теплоты на собственные нужды 125
4.5.2 Отпуск теплоты стороннему потребителю 129
ГЛАВА 5. Математическое моделирование и исследование схем утилизации низкопотениальнои теплоты на пгу-тэс с использованием тепловых насосов 131
5.1 Математическое моделирование схем утилизации низкопотениальнои теплоты на ПГУ-ТЭС с использованием тепловых насосов 131
5.2 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования низкопотенциальной теплоты воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины 138
5.3 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования низкопотенциальной теплоты продувочной воды
градирни 145
5.4 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования низкопотенциальной теплоты системы охлаждения турбогенераторов 149
5.5 Повышение тепловой экономичности ПГУ-ТЭС за счет использования обратной сетевой воды в тепловых насосах 155
5.6 Выбор оптимального варианта использования тепловых насосов на ПГУ-ТЭС 160 Заключение 166
Литература
- Исторический аспект проводимого исследования
- Использование низкопотенциальной теплоты воды естественных и искусственных водоемов
- Использование тепловых насосов для утилизации теплоты продувочной воды градирни
- Использование низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС для компенсации тепловых собственных нужд
Введение к работе
Актуальность темы. Неуклонно растущая потребность в топливно-энергетических ресурсах, наряду с ограниченностью запасов ископаемых топ-лив и тенденцией к их удорожанию на внутреннем рынке РФ определяет необходимость их рационального использования. Как результат возникает комплекс задач по поиску и разработке альтернативных источников энергии, способных постепенно заместить часть ископаемых энергоресурсов. Существенное значение приобретает внедрение рациональных способов экономии органического топлива на крупных промышленных предприятиях.
Одним из способов комбинированного решения перечисленных задач является утилизация низкопотенциальной теплоты при помощи тепловых насосов (ТН) на парогазовых тепловых электростанциях (ПГУ-ТЭС). Данное мероприятие будет способствовать совершенствованию действующей технологии производства электрической и тепловой энергии, а также уменьшению нагрузки, оказываемой топливно-энергетическим комплексом на окружающую среду, за счет снижения тепловых выбросов и потребления технической воды. Кроме того, увеличится доля альтернативных источников энергии в топливно-энергетическом балансе страны.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка и исследование схем утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием ТН, позволяющих повысить технико-экономические показатели ПГУ-ТЭС.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
проведен сравнительный анализ источников низкопотенциальной теплоты (ИНТ) на ПГУ-ТЭС, оценен резерв экономии органического топлива за счет использования наиболее актуальных из них и определены направления применения теплоты, отпущенной от конденсатора ТН;
разработаны и исследованы схемы, позволяющие утилизировать теплоту наиболее актуальных ИНТ с помощью ТН.
разработаны аналитические зависимости, позволяющие определять граничные условия применения ТН и показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС с теплонасосными установками (ТНУ).
разработаны математические модели ПГУ-ТЭС с ТНУ при различных схемных решениях, исследованы с их помощью изменения показателей тепловой экономичности за счет применения ТН и предложены рекомендации по выбору оптимального варианта утилизации низкопотенциальной теплоты.
Основные методы научных исследований. В работе использованы методы термодинамического анализа энергоустановок, математического моделиро-
вания и технико-экономических расчетов в энергетике в сочетании с применением современных программных комплексов. Научная новизна.
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, отпускае
мой от ТН, на собственные нужды ПГУ-ТЭС.
3. Предложены аналитические зависимости, позволяющие исследовать из
менение 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.
Практическая ценность работы. 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.
Реализация работы. Разработанные автором рекомендации по выбору схемы утилизации низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС с помощью ТН использованы:
- филиалом «Северо-Западная ТЭЦ» ОАО «ИНТЕР РАО - Электрогенера
ция» при организации и проведении НИОКР для повышения эффективности
работы филиала;
- ООО "Rainbow - Инженерные системы" при выполнении научно-
исследовательской работы "Анализ перспектив применения технологий триге-
нерации и АБХМ на объектах Группы "ЛУКОЙЛ" в Южном Федеральном Ок
руге".
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО "СПбГПУ" при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140100 «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:
Схемы, позволяющие повысить тепловую экономичность ПГУ-ТЭС, за счет утилизации низкопотенциальной теплоты продувочной воды градирни, обессоленной воды, охлаждающей турбогенератор и обратной сетевой воды;
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;
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;
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;
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 ТФУ; помимо этого в обработке, формулировке, обобщении полученных результатов и выработке рекомендаций по условиям и схемным решениям применения ТН на ПГУ-ТЭС.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Третьем Всероссийском Форуме "Наука и инновации в технических университетах" (2009 г.), на международных научно-практических конфе-
ренциях «Неделя науки СПбГПУ» (2007-2010 гг.) и научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» СПбГПУ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, две из них - в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. 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.
Исторический аспект проводимого исследования
Область применения теплонасосных установок весьма широка, разнообразна и распространяется на такие объекты человеческой жизнедеятельности как жилищно-коммунальный сектор, промышленные предприятия, сельскохозяйственное производство, а также курортно-оздоровительные, спортивные комплексы и иные общественные здания и сооружения.
В жилищно-коммунальном комплексе ТНУ находят наибольшее применение (и в мировой, и в Российской практике) преимущественно для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) [31, 32].
Использование ТНУ в промышленности эффективно в первую очередь вследствие того, что на многих промышленных предприятиях почти две трети теплопотребления приходятся на технологически процессы с количеством сбросного тепла до 35-40 %. В связи с этим существует огромное количество примеров использования ТН в химической, пищевой, микробиологической, фармацевтической и деревообрабатывающей промышленности. В частности, ТНУ находят применение для утилизации теплоты водооборотных систем, теплоты вентиляционных выбросов, теплоты сбросных вод (целюлезо-бумажные комбинаты) [44, 95].
Тепловые насосы в системах кондиционирования и вентиляции широко применяются не только в промышленных цехах, производственных помещениях и бытовых сооружения, но и в жилых домах, позволяя использовать теплоту вытяжного воздуха и ликвидируя перерасход энергии [85]. Многие технологические процессы сельского хозяйства связаны с большим потреблением теплоты, которое в значительной степени удовлетворяется за счет электроэнергии. С другой стороны, сельское хозяйство располагает большими собственными вторичными тепловыми ресурсами, но из-за их низкого температурного уровня они используются недостаточно. Применение тепловых насосов в технологических процессах сельского хозяйства позволяет использовать сбросную низкопотенциальную теплоту для теплоснабжения [85].
Несмотря на то, что преимущественно ТНУ используются для целей отопления и ГВС существует немало иных направлений применения тепловых насосов.
Многие промышленные предприятия одновременно нуждаются в подводе тепловой энергии для отопления, горячего водоснабжения или организации производственного процесса и в искусственном холоде. Так, на заводах искусственного волокна, в основных производственных цехах используется технологическое кондиционирование воздуха (поддержание температуры и влажности). В больших количествах используется холод в производстве искусственного каучука и других производствах.
Также в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с целью поддержания оптимальных параметров воздуха при хранении и складировании в большинстве случаев используются холодильные машины (так, например, на многих пивоваренных заводах, мясо-молочных комбинатах и заводах колбасных изделий работают весьма крупные централизованные холодильные установки), включение в работу которых по схеме теплового насоса дает возможность использовать теплоту конденсации обычно рассматриваемую как отходы не подлежащие дальнейшему использованию. С другой стороны, в течение всего года существует большая потребность в горячей воде, применяемой для различных видов очистки. Необходимо также обеспечивать отопление помещений. Таким образом, имеются все условия для выгодного применения тепловых насосов [66,85]. В сельском хозяйстве часто применяются упрощенные установки с тепловыми насосами, предназначенные для создания определенного микроклимата в животноводческих помещениях, теплицах, складских помещениях и т.д.
В целом, комбинированные теплонасосные системы "тепловой насос -холодильная машина", одновременно вырабатывающие теплоту и холод считаются наиболее экономичным решением.
Аппараты для дистилляции и разделения смесей, таких, как, газофракционирующие установки на нефтеперегонных заводах и брагоректификационные установки на спиртовых заводах, являются крупными потребителями энергии; соответственно за счет применения тепловых насосов в схемах разделения можно добиться снижения энергозатрат предприятия [95].
В процессах варки, выпаривания, концентрации практически вся теплота уходит на испарение влаги, которая в обычных схемах удаляется из агрегата в виде выпара и выбрасывается в атмосферу. Существуют схемы позволяющие утилизировать теплоту выпара с помощью тепдлонасосных установок[85].
Благоприятные условия для применения тепловых насосов имеются в процессах сушки и обезвожевания поскольку в одном и том же процесс осуществляется одновременное использование стороны испарителя и стороны конденсатора (влажный воздух пропускается сначала через испаритель, температура поверхности которого ниже точки росы воздушного потока, часть водяных паров, содержащихся в воздухе конденсируется на поверхности испарителя и стекает в виде конденсата, охлажденный и частично обезвоженный воздух поступает затем в конденсатор, где подогревается до необходимой температуры). Потребление энергии присушек древесины с помощью теплового насоса составляет лишь 1/5 той величины, которая имеет место в традиционных установках. Также ТНУ можно использовать в сельском хозяйств для сушки продуктов, например чайного листа [65,85].
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод об универсальности теплонасосных технологий по отношению к объектам внедрения, а также о значительном проникновении их, уже на данном этапе развития общества, в различные сферы его жизнедеятельности. Однако, несмотря на разнообразие направлений использования теплонасосных установок, основой было и остается применение ТНУ для нужд отопления и горячего водоснабжения.
Использование низкопотенциальной теплоты воды естественных и искусственных водоемов
Система автоматического регулирования турбины должна обеспечивать возможность плавного изменения электрической и тепловой нагрузки, поддерживать частоту вращения ротора турбины на холостом ходу, а также плавно ее изменять (в пределах рабочего диапазона механизма управления турбиной), удерживать частоту вращения ротора турбины ниже уровня настройки срабатывания автомата безопасности при мгновенном сбросе до нуля электрической нагрузки (в том числе при отключении генератора от сети). В качестве рабочей жидкости системы используется огнестойкое синтетическое масло "ОМТИ", для охлаждения которого используются два вертикальных маслоохладителя.
В Приложении 1 таблица 5 представлены результаты расчета количества низкопотенциальной теплоты, теряемой в системе регулирования паровой турбины.
В данном случае в качестве источника низкопотенциальной теплоты выступает техническая вода, охлаждающая МО (при использовании ТН может быть заменена обессоленной водой).
Положительные и отрицательные стороны использования в качестве ИНТ воды, охлаждающей МО системы регулирования паровой турбины, аналогичны достоинствам и недостаткам, перечисленным ранее для среды, охлаждающей МО системы смазки паровой турбины.
Для обеспечения смазки и охлаждения подшипников крупных насосов (питательных, циркуляционных) предназначена автономная масляная система, выполненная по схеме принудительной циркуляции масла под давлением. В качестве рабочей жидкости системы используется масло турбинное Тп-22 либо его модификации. Максимальная его температура на сливе с подшипников составляет 80-90 С, а перед ними 40-45 С. Изменение температуры производится с помощью маслоохладителя и регулируется изменением подачи охлаждающей воды на МО.
В Приложении 1 таблица 6 представлены результаты расчета количества низкопотенциальной теплоты, теряемой в системе смазки и охлаждения подшипников питательных электронасосов высокого давления.
В данном случае в качестве источника низкопотенциальной теплоты выступает техническая вода, охлаждающая МО (при использовании ТН может быть заменена обессоленной водой). Положительные стороны использования в качестве ИНТ воды, охлаждающей МО системы смазки и охлаждения подшипников ПЭН ВД, аналогичны достоинствам, перечисленным ранее для среды, охлаждающей МО системы смазки паровой турбины.
Недостатки: - прямая взаимосвязь с режимом работы питательных электронасосов высокого давления; - необходимость поддерживать нормируемый диапазон температур масла, поступающего к подшипникам питательных электронасосов высокого давления.
В замкнутой системе вентиляции электродвигателей крупных насосов (питательных, сетевых, технической воды), оснащенных водяными охладителями, теряется некоторое количество низкопотенциальной теплоты. Охладители должны обеспечивать разность между температурами охлаждающего воздуха, выходящего из ВО, и охлаждающей воды, поступающей в ВО не более 7-10 С. Температура охлаждающей воды не должна превышать 33-30 С. Однако, в технически обоснованных случаях допускается увеличивать вышеуказанную разность. Например, возухоохладитель двигателя 4АЗМ-1600/6000УХЛ4 рассчитан на подачу в него пресной воды под давлением не менее 0,2 и не более 0,3 МПа, расходом 2,5 л/с, при температурах на входе и выходе воздухоохладителя не выше 30-35 С соответственно. Температура холодного воздуха должна быть не выше 40 С. В Приложении 1 таблица 7 представлены результаты расчета количества низкопотенциальной теплоты, теряемой в системе охлаждения электродвигатели 4АЗМ-1600/6000УХЛ4.
В данном случае в качестве источника низкопотенциальной теплоты выступает техническая вода, охлаждающая МО (при использовании ТН может быть заменена обессоленной водой).
Достоинства: - высокий коэффициент теплоотдачи; - высокое среднегодовое значение коэффициента преобразования; - может использоваться в качестве ИНТ для ТНУ на любых тепловых электростанциях вне зависимости от вида топлива, состава основного оборудования или особенностей технологической схемы для электродвигателей с аналогичными системами охлаждения; - отсутствует влияние температуры наружного воздуха; - высокое качество обессоленной воды; - не требуется дополнительных капитальных затрат на забор ИНТ и никакой дополнительной энергии на его транспортировку. Недостатки: - прямая взаимосвязь с режимом работы электродвигателя; - необходимость поддерживать нормируемый диапазон температур охлаждаемого воздуха.
Для обеспечения работы уплотнений ПЭН ВД и ПЭН НД выполнена схема подачи основного конденсата после конденсатных насосов второго подъема (КЭН-2) с охлаждением его технической водой в теплообменнике. Основной конденсат через регулятор давления первой ступени подается через охладитель на уплотнения ПЭН НД и на пусковое устройство ПЭН ВД и часть его проходит через регулятор давления второй ступени на уплотнение бустерного насоса и на третий подшипник ПЭН ВД. Слив с уплотнений ПЭН ВД может быть осуществлен на деаэратор, на конденсатор паровой турбины, на дернажный бак, либо на БСК. Слив с уплотнений ПЭН НД заведен на всас насоса. Давление конденсата на уплотнение насосов после регулятора давления первой ступени 1,2 МПа, после регулятора давления второй ступени 0,9 МПа, а на сливе с уплотнений 0,6 МПа. Температура конденсата на уплотнение насосов не более 50 С. Расход конденсата через уплотнения питательного насоса низкого давления по условиям охлаждения 0,5 л/мин.
Использование тепловых насосов для утилизации теплоты продувочной воды градирни
В данном случае первое слагаемое представляет собой коэффициент использования теплоты топлива ПГУ-ТЭС без ТНУ, второе слагаемое характеризует изменение КИТ за счет снижения расхода пара на собственные нужды за счет использования ТНУ, а третье слагаемое выражает снижение КИТ за счет увеличения расхода пара в теплофикационные отборы.
Тогда в общем виде увеличение коэффициента использования теплоты топлива ПГУ-ТЭС за счет применение ТНУ для компенсации части собственного теплового потребления (ИНТ - сетевая вода) будет иметь вид:
В общем виде изменение удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении для ПГУ-ТЭС с ТНУ, использующем обратную сетевую воду в качестве ИНТ (схема с отпуском тепловой энергии на собственные нужды), будет выглядеть следующим образом:
По аналогии с зависимостью 4.56 увеличение удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении для ПГУ-ТЭС с ТНУ будет иметь вид:
В случае, когда теплота от конденсатора теплового насоса направляется стороннему потребителю, изменение выработки паровой турбины за счет использования ТН с охлаждением части обратной сетевой воды происходит за счет увеличения расхода пара в теплофикационные отборы и может быть определено следующим образом:
Полезный отпуск тепловой энергии в данном случае осуществляется от паровой турбины и от теплового насоса (параметры сетевой воды на выходе из ТФУ и ТН могут различаться), поэтому справедлива зависимость:
Общий вид коэффициента использования теплоты топлива ПГУ-ТЭС при использовании в технологической схеме ТНУ (ИНТ обратная сетевая вода, схема с дополнительным отпуском тепловой энергии): GCB х (ftgf - h? )„{hT-K) ril r,M V,
В правой части этой зависимости: первая составляющая представляет собой КИТ ПГУ-ТЭС без ТНУ, вторая составляющая характеризует снижение КИТ за счет увеличения расхода пара в теплофикационные отборы из-за снижения температуры обратной сетевой воды, третья составляющая характеризует снижение КИТ за счет увеличения расхода электроэнергии на собственные нужды ТЭС, а четвертая составляющая характеризует увеличение КИТ ПГУ-ТЭС за счет увеличения полезного отпуска теплоты.
Уравнение для изменения удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС с ТНУ, использующем обратную сетевую воду в качестве ИНТ (отпуск теплоты стороннему потребителю:
Из зависимости 4.66 следует, что в случае, когда теплота от конденсатора теплового насоса направляется стороннему потребителю, удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении ПГУ-ТЭС снижается.
Математическое моделирование схем утилизации низкопотениальной теплоты на ПГУ-ТЭС с использованием тепловых насосов
На базе расчета термодинамического цикла теплового насоса (рис. 5.1) и с использованием выражений, полученных в п. 4.3. - 4.5., разработаны математические модели, описывающие влияние, оказываемое использованием тепловых насосов в схеме ПГУ-ТЭС (при различных источниках низкопотенциальной теплоты и направлениях применения теплоты от ТН) на показатели тепловой экономичности теплоэлектростанции.
Ниже представлены математические модели, описывающие влияние, оказываемое тепловым насосом на показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС, для случаев, когда ТНУ используется в системах охлаждения и сбросных системах, а теплота от ТН потребляется на собственные нужды ПГУ-ТЭС (табл. 5.1) или отпускается стороннему потребителю (табл. 5.2).
Также в табл. 5.3 и 5.4 представлены математические модели, описывающие влияние, оказываемое тепловым насосом на показатели тепловой экономичности ПГУ-ТЭС, для случаев, когда в качестве ИНТ в ТНУ используется сетевая вода, а теплота от ТН потребляется на собственные нужды ПГУ-ТЭС или отпускается стороннему потребителю соответственно.
На основе математических моделей табл. 5.1 - 5.4 были проведены расчетные исследования влияния, оказываемого на технико-экономические показатели ПГУ-ТЭС тепловыми насосами, используемыми в системах охлаждения агрегатов (на примере систем охлаждения конденсатора паровой турбины и турбогенераторов), в сбросных системах (на примере системы сбросов продувочной воды градирни) и перед теплофикационной установкой. Также рассматривались различные направления применения теплоты, отпускаемой от ТН. На основании проведенных исследований были получены графические зависимости, представленные в п. 5.2 - 5.5, и сформулированы рекомендации по выбору оптимального варианта использования ТНУ на ПГУ-ТЭС, представленные в п. 5.6.
Использование низкопотенциальной теплоты на ПГУ-ТЭС для компенсации тепловых собственных нужд
Наличие значительных выбросов низкопотенциальной теплоты на ТЭС позволяет разработать большое количество разнообразных схем, дающих возможность при помощи теплонасосных установок полезно использовать сбросную теплоту, применяя ее в технологических процессах. Это весьма затрудняет выбор оптимального варианта тепловой схемы для конкретных условий. Значительно сузить количество рассматриваемых схем можно, руководствуясь несколькими группами критериев:
Критерии рентабельности теплонасосной установки [45]: 1.1. Обеспечение небольшой разности между требуемой температурой приемника низкопотенциальной теплоты и температурой источника низкопотенциальной теплоты, имеющегося в распоряжении; 1.2. Высокий уровень и стабильность температуры источника низкопотенциальной теплоты; 1.3. Величина затрат на привод компрессора теплового насоса; 1.4. Уровень необходимых затрат на ввод в эксплуатацию (не более 10-15% полной стоимости установки для нагрева); 1.5. Незначительность увеличения потребления энергии на дополнительные насосы и вентиляторы (между теплообменником у источника тепла и испарителем, между конденсатором и одним или несколькими теплообменниками, расположенными в охлаждаемой среде), с одной стороны, чтобы не увеличивать эксплуатационные расходы, и, с другой стороны, чтобы резко не снижать коэффициент преобразования; 1.6. Наличие физического или химического воздействия используемых сред на теплообменное оборудование (возможность возникновения коррозии или отложений); 1.7. Необходимость установки дополнительного источника или аккумулятора теплоты. 161 2. Критерии, основывающиеся на технических ограничениях: 2.1. Возможность реализации схемы в условиях конкретно рассматриваемой электростанции, (критерий связан в первую очередь с наличием места в главном корпусе и на генплане электростанции для размещения оборудования теплонасосной установки); 2.2. Теплотехническая эффективность схемы (критерий определяет эффективность мероприятия по экономии удельного расхода топлива в различных условиях работы оборудования энергоблока и ТНУ); 2.3. Взаимное влияние, оказываемое на режимы работы основного и вспомогательного оборудования, (значительность данного критерия зависит от степени влияния оказываемого ТНУ на основное оборудование и, если это влияние достаточно мало и вывод из работы оборудования ТНУ не влечет за собой нарушения энергоснабжения потребителей, то выбор схемы представляет собой чисто финансово-экономическую задачу, в противном случае даже высокоэкономичная схема, не может быть рекомендована для использования); 2.4. Эксплуатационная гибкость и надежность. Использование критерия связано, в первую очередь, с режимом работы электростанции в энергосистеме (маневренный или базовый) и требованиями к надежности основного и вспомогательного оборудования. 3. Критерии, связанные с внешними условиями [65]: 3.1. Природно-климатические особенности региона; 3.2. Структура топливно-энергетического комплекса региона;
Исходя из вышесказанного, можно сделать следующий вывод: предпосылкой эффективной эксплуатации тепловых насосов на ПГУ-ТЭС является использование технического решения, учитывающего как внутренние условия протекания процессов в системе, так и внешние условия их применения.
Используя полученные выше выражения, можно выбрать наиболее выгодную с точки зрения технико-экономических показателей схему применения тепловых насосов на ПГУ-ТЭС.
Выражения для минимального коэффициента преобразования 4.26 и 4.52 позволяют выделить варианты схем использования тепловых насосов для отпуска теплоты на собственные нужды, ведущие к повышению коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ТЭС (Приложение 1 таблица 21). Выражения, определяющие величину изменения коэффициента использования теплоты топлива и удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ТЭС, 4.33 и 4.34, а также 4.56 и 4.58 позволяют выбрать вариант схемы, характеризуемый наилучшими технико-экономическими показателями. В зависимости от необходимого количества теплоты на собственные нужды можно выбрать наиболее эффективный вариант схемы внедрения теплового насоса в тепловую схему ПГУ-ТЭС (рис. 5.26 и 5.27).
При выборе схемы не менее важным является сравнение требуемых начальных капиталовложений и сроков окупаемости возможных вариантов. В зависимости от необходимого количества теплоты на собственные нужды можно выбрать вариант схемы внедрения теплового насоса в тепловую схему ПГУ-ТЭС с наименьшим сроком окупаемости (рис. 5.28).
Выражения 4.39 и 4.66 подтверждают, что 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. Поэтому вопрос повышения технико-экономической эффективности ПГУ-ТЭС, за счет использования теплового насоса в схеме, неразрывно связан с соотношением тарифов на топливо, электрическую и тепловую энергию.
