Тепловые насосы в системах малой энергетики

Применение тепловых насосов в хвостовой части энергетических установок, особенно работающих на возобновляемых, вторичных или бросовых источниках, является одним из перспективных направлений развития теплофикации и повышения общей эффективности использования топлива. Включение теплонасосных установок в состав действующих тепловых электростанций может рассматриваться как альтернатива строительству новых мощностей ТЭЦ в условиях недостатка теплоснабжения.

Повышение эффективности использования топлива в энергетических установках большой и малой мощности связано с использованием когенерации (совместного производства) тепловой и электрической энергии в едином термодинамическом цикле.

Физическая природа экономии топлива на подобных когенерационных установ­ках в отличие от раздельных технологических схем энергопроизводства на парал­лельно работающих конденсационных электростанциях и отопительных котельных заключается в двойном использовании части теплоты сгорания топлива в термодинамическом цикле ТЭЦ – сначала в качестве участника процесса преобразования получен­ной неупорядоченной тепловой энергии в упорядоченную электрическую форму (работу), а затем в качестве самостоятельной энергетической продукции.

Такая схема обеспечивает значительное повышение электрического КПД тепло­централи и повышение коэффициента использования топлива на ней при заданных условиях теплоснабжения потребителей теплотой отработавшего пара. Изменение этих условий приводит к изменению условий замыкания термодинамического цикла ТЭЦ, как и любой термодинамической установки, что, в свою очередь, сказывается на ее экономичности. В связи с этим большое значение приобретают поиски рационального способа замыкания теплового процесса теплоэнергетических установок, способствующего повышению эффективности электро- и теплоснабжения потребителей при общем сокращении расхода топлива.

Наибольший интерес для решения поставленной задачи представляют способы утилизации низкопотенциальной энергии отработавшего пара или другого применяемого рабочего тела, которые не приводят к существенному ухудшению эффективности теплоэнергоносителей части цикла ТЭЦ, вырабатывающей электрическую энергию.

Обычно вывод тепловой энергии низкого потенциала из цикла ТЭЦ с паротур­бинными установками осуществляется либо по замкнутой схеме в конденсаторе при давлении пара ниже атмосферного (на конденсационных режимах работы), либо по разомкнутой схеме с отбором насыщенного пара при повышенных противодавлени­ях (от 1,2 – 1,7 до 4 – 6 ати) для последующего использования в технологических целях и отопления (на теплофикационных режимах). Возможно также применение тепловых насосов, работающих по обратному тепловому циклу, т.е. дополнительно охлаждающих рабочее тело (тем самым повышая эффективность прямого цикла) и передающих его теплоту на более высокий температурный потенциал со значительным увеличением ее количества за счет подвода внешней работы аналогично любой холодильной машине, например, простейшего парокомпрессорного типа. Наряду с термокомпрессионными тепловыми насосами, работающими по различным теплодинамическим циклам (Ренкина, Брайтона и т.д.), возможны иные типы тепловых насосов – термоабсорбционные, термоэлектрические и другие, характеризующиеся значительно меньшей плотностью потоков энергии и потому мало применяемые в энергетических целях. В стационарных процессах при установившихся температурах источников вместо полных количеств теплоты и работы могут использоваться их значения в единицу времени, т.е. мощности.

Практические соображения определяют нижний предел для указанной разности температур, особенно если в качестве холодного источника используется окружающая среда, поскольку неограниченное количество теплоты Q_H = Q_L,имеющееся при Т_н – T_L, не представляет какой-либо энергетической ценности, и не одна существующая установка не работает в подобном режиме.

В этой связи, а также вследствие неизбежных потерь на трение и теплообмен в различных элементах оборудования и отличий в конфигурации циклов реальная эффективность тепловых насосов, как и тепловых двигателей, оказывается значительно (в три – пять раз) ниже идеальных показателей.

Тепловые насосы (теплонасосные установки) для утилизации энергии отработавшего пара целесообразно применять на ТЭЦ небольшой мощности. Это обусловлено тем, что теплонасосные установки, в которых используется пар низких параметров с большим удельным объемом, должны иметь приемлемые массогабаритные характеристики и обеспечивать утилизацию достаточно больших количеств тепловой энергии из-за сравнительно низкого электрического КПД малых ТЭС.

Хотя традиционные конструкции тепловых насосов и принципы их использования достаточно разработаны, однако применительно к малым ТЭС и мини-ТЭЦ необходимо создание специальных конструктивных решений, учитывающих отмеченные особенности.

Главным компонентом теплового насоса является компрессор, сжимающий рабочее тело до необходимого давления. Если для привода теплового насоса вместо поршневого компрессора использовать более быстроходную и малогабаритную турбомашину, то получается схема, объеди­няющая прямой (энергетический) и обратный (теплонасосный) термодинамические циклы в двойной турбомашинный цикл. Такая комбинация особенно интересна, когда в обоих контурах применяется одинаковое (одно и то же) рабочее тело.

Применительно к малым ТЭС и мини-ТЭЦ с паротурбинными установками, работающими по циклу Ренкина, такая комбинация отвечает практически всем выдвинутым выше требованиям, образуя схему двойного цикла Ренкина В этой схеме предусматрен один общий конденсатор с внешним охладителем, две аналогичные вращающиеся турбомашины, соединенные общим валом, котел, испаритель, дроссельный клапан, конденсатный питательный насос, а также ряд других необходимых элементов ТЭС.

Конструктивная схема испарителя-расширителя и конденсатора теплонасосной установки разработана в ОЭЭП РАН для реализации технологии повышения эффективности преобразования энергии на малых паротурбинных ТЭС.

Испаритель-расширитель представляет собой паро-паровой теплообменник, встроенный в паровое пространство вспомогательного конденсатора, на вход кото­рого, выполняющего роль дроссельного клапана, подается влажный пар, отработанный в паровой турбине ТЭС. Под действием теплообмена с поперечным потоком сухого перегретого пара он доводится до состояния насыщения, а затем перегревается и подается на вход парового турбокомпрессора. Последний расположен на одном валу с основной паровой турбиной ТЭС, используемой также для привода турбокомпрессора. Сжатый им сухой пар при давлении, несколько большем, чем давление отработавшего в турбине пара, также подается в паровое пространство вспомогательного конденсатора, где омывает встроенный паро-паровой теплообменник испарителя-расширителя, частично конденсируясь на его более холодных стенках. Стекающий вниз конденсат насосом возвращается в цикл паротурбинной установки, а оставшаяся во вспомогательном конденсаторе несконденсировавшаяся часть пара, поступающего из выхлопа паровой турбины, возвращается на вход испарителя-расширителя и далее направляется в компрессор либо в основной конденсатор турбоустановки ТЭС с внешним охлаждением при температуре окружающей среды. Рециркуляция отработавшего пара позволяет интенсифицировать процессы теплообмена в паро-паровом теплообменнике испарителя-расширителя и в основном конденсаторе с внешним охлаждением, обеспечивая полный возврат рабочего тела в цикл паротурбинной установки ТЭС при минимальном сбросе тепловой энергии в конденсаторе с внешним охлаждением. Для устойчивой работы описанной теплонасосной установки необходимо, чтобы давление пара в ней было ниже, а температура выше, чем в окружающей среде.

Оснащение тепловыми насосами малых газотурбинных ТЭС можно осуществлять на основе сочетания приводного газотурбинного двигателя с внешним сгоранием, работающего по энергетическому циклу Брайтона, и газового турбокомпрессора, работающего по обратному теплонасосному циклу той же конфигурации. Идеальным вариантом реализации технологической схемы двойного цикла Брайтона была бы передача функций привода основной газовой турбине ТЭС и работа газового турбокомпрессора при одинаковой с ней скорости вращения при их соединении общим валом.

Наибольшую привлекательность, безусловно, имеют варианты создания комбинированной теплоэнергетической и теплонасосной установки для малых ТЭС на базе двойного цикла Стирлинга. Все протекающие в нем процессы являются обратимыми, а внешний теплообмен осуществляется изотермически, что обеспечивает его эффективность наравне с циклом Карно. Однако практическая реализация такого цикла до настоящего времени сопряжена со значительными трудностями.

Одна из разновидностей цикла Дуплекс-Стирлинга выполнена в виде связки свободно-поршневого двигателя и теплового насоса. Из-за крайне малой удельной мощности сооружение подобных установок для нужд теплофика­ции коммунального хозяйства и промышленных технологий требует значительных капитальных затрат.

Выполненный анализ исследований показывает, что применение тепловых насосов в хвостовой части малых ТЭС и когенерационных установок ТЭЦ целесообразно для дополнительной выработки тепловой энергии и экономии первичных топлив­ных ресурсов. Их применение может быть выгодно прежде всего потребителям теплоты в районах со сравнительно мягким климатом при небольших (до несколь­ких десятков градусов) разностях температур передачи теплоты и при относительно низких ценах на энергию, используемую для привода тепловых насосов по сравнению с ценами на топливо. Для энергопроизводителей, использующих прямой тепловой цикл при получении на ТЭЦ электричества и теплоты, параллельное подключение к основному производству теплового насоса как обратной тепловой машины, приводимой в действие за счет потребления энергии от прямого цикла, может рассматриваться как альтернатива строительству новых мощностей в условиях недостатка теплоснабжения потребителей, но не может повысить электрический КПД станции и обеспечить выработку дополнительной электроэнергии (или любого другого работоспособного ее вида) из избыточной теплоты без нарушения второго закона термодинамики.

Заключение

В современных условиях во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Ведется бурная дискуссия о выборе путей развития энергетики. Это связано прежде всего с острой необходимостью охраны окружающей среды. Во многих странах происходит структурная перестройка топливно-энергетического комплекса, связанная с экологической ситуацией (переход на энергосберегающие и ресурсосберегающие техноло­гии в энергетике, промышленности и жилищном комплексе).

Большое внимание данной проблеме уделяют организации, входящие в ООН: ЮНЕСКО, ЕЭК, ЮНЕП, ЮНИДС, а также другие межправительственные и неправительственные международные организации. Выделяются значительные средства на работы в области НВИЭ из целевых ассигнований ЕЭС, Европейского фонда национального развития, Евроатома и других организаций.

Сегодня на производство тепловой и электрической энергии ежегодно расходуется топливо, эквивалентное примерно 1000 трлн баррелей нефти, сжигание которого сильно засоряет атмосферу Земли. Угроза топливного «голода», загрязнение окружающей среды, а также тот факт, что прирост потребности в энергии значительно опережает прирост ее производства, вынуждают многие страны по новому взглянуть на энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр, растительной биомассы, т.е. на энергию, большая часть которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда, ни пользы. В последнее время отмечается некоторая смена приоритетов в отношении различных видов НВИЭ. Первое место теперь принадлежит солнечной энергетике, второе – биоэнергетике, которая несколько оттеснила ветроэнергетику. Это объясняется тем, что биоэнергетика имеет больший потенциал, позволяет не только получать горючий газ, который можно использовать для различных целей, но и перерабатывать экологически грязные отходы, что сейчас особенно актуально.

Биоэнергетика наиболее эффективна при использовании отходов сельскохозяйственного производства и растительной биомассы в разных ее формах. В ряде стран начинают внедрять технологию утилизации твердых быто­вых отходов (бытового мусора) методом твердофазного сбраживания на обустроенных полигонах с получением биогаза. Эта технология самая дешевая и не связана с токсичными выбросами и стоками, она позволяет после извлечения газа решить вопрос возврата земель под застройку.

На следующем этапе планируется разработка усовершенствованной технологии получения горючих газов из твердых топлив. На фоне сокращения запасов нефтяного и газово­го сырья искусственные энергетические газы рассматриваются как основная составляющая будущего теплового баланса. Например, в США в 2000 г. вырабатывалось 140 млрд м³ газа, что соответствовало 23 % потребности страны в энергетических и технологических газах.

В последние годы во многих странах активизируются работы по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии (НВИЭ). Основными побудительными причинами, вынудившими уделить приоритетное внимание развитию экологически ориентированной энергетики на качественно ином уровне, являются международные соглашения (например, требования Киотского протокола по снижению эмиссии парниковых газов), стабильно высокие мировые цены на нефть и другие энергоресурсы и в перспективе – истощение в недалеком будущем запасов ископаемых топлив. В этом свете возобновляемые виды энергии уже в обозримом будущем можно рассматривать как одну из реальных альтернатив традиционным источникам энергии.

К сожалению, Россия по объему научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а тем более по объему производства оборудования и установок малой и нетрадиционной энергетики значительно отстает от ведущих и многих развивающихся стран. Существует Федеральный закон «Об энергосбережении», большая часть субъектов Российской Федерации имеет свои законы по энергосбережению и соответствующие программы, предусматривающие реализацию энергосберегающих мероприятий, а также использование местных нетрадиционных энергоресурсов. Однако претворение этих программ в жизнь и широкое внедрение оборудования малой и нетрадиционной энергетики сдерживаются из-за отсутствия должной нормативно-правовой базы и конкретной, а не декларативной государственной поддержки. В Налоговом кодексе не предусмотрены даже частичные налоговые льготы производителям и потребителям оборудования и продукции нетрадиционной энергетики. Федеральная энергетическая комиссия Российской Федерации так и не утвердила порядок формирования целевых инвестиционных средств на создание объектов малой и нетрадиционной энергетики и энергосберегающие мероприятия путем включения соответствующих затрат в составляющую тарифов на тепловую и электриче­скую энергию и газ.

Б. Ельциным был отклонен Федеральный закон «О государст­венной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии», принятый Государственной думой 27 октября 1999 г. и одобренный Советом Федерации 11 ноября 1999 г. Это мотивировалось тем, что «Федеральный закон не имеет четкого предмета регулирования. Претендуя на роль базового законодательного акта в сфере использования нетрадиционных во­зобновляемых источников энергии, Федеральный закон вторгается в сферу действия целого ряда законодательных актов, регулирующих вопросы энергосбережения и охраны окружающей среды». Дальнейшая судьба законопроекта вызывает вопросы.

В данных обстоятельствах наиболее целесообразным представляется выявление и приоритетное развитие тех направлений возобновляемой энергетики, которые в сочетании с традиционными энергоустановками могут быть эффективными в конкретных региональных условиях. Темпы роста объемов и расширения спектра исполь­зования геотермальных ресурсов за последние пять лет свидетельствуют о том, что геотермальные энергетические технологии во многих странах становятся основ­ной составляющей в энергетическом балансе и роль геотермии в мировой энергетике неуклонно растет. Оценки показывают, что мировой потенциал изученных на сегодняшний день геотермальных запасов составляет 0,2 ТВт электрической и 4,4 ТВт тепловой мощности.

В децентрализованных системах теплоснабжения НВИЭ уже сейчас при наличии благоприятных условий (к ним можно отнести и повышенные экологиче­ские требования для рекреационных регионов) могут составить реальную конкуренцию традиционным котельным на органическом топливе, причем самым выгодным представляется применение комбинированных установок. К числу наиболее экономически и экологически эффективных устройств НВИЭ относятся прежде всего солнечно-коллекторные и теплонасосные установки. При этом среди энергоустановок, в кото­рых выгодно использование энергии солнца, следует выделить комплексы, создаваемые на базе отопительных котельных, работающих на органическом топливе. В этом случае гелиоустановка представляет собой пристройку к котельной, обеспечивающую покрытие большей части нагрузки горячего водоснабжения в теплое время года.