Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии
На примере анализа работы городской теплоэлектроцентрали в течение года оценён потенциал сбросной теплоты, пригодной для использования в тепловых насосах в качестве низкопотенциальной. Рассмотрены характеристики тепловых насосов, имеющихся на мировом рынке и пригодных для утилизации сбросной теплоты...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80969 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии / Н.Б. Чиркин, М.А. Кузнецов, Е.В. Шерстов, В.Н. Стенников // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 1. — С. 11-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860200726926458880 |
|---|---|
| author | Чиркин, Н.Б. Кузнецов, М.А. Шерстов, Е.В. Стенников, В.Н. |
| author_facet | Чиркин, Н.Б. Кузнецов, М.А. Шерстов, Е.В. Стенников, В.Н. |
| citation_txt | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии / Н.Б. Чиркин, М.А. Кузнецов, Е.В. Шерстов, В.Н. Стенников // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 1. — С. 11-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | На примере анализа работы городской теплоэлектроцентрали в течение года оценён потенциал сбросной теплоты, пригодной для использования в тепловых насосах в качестве низкопотенциальной. Рассмотрены характеристики тепловых насосов, имеющихся на мировом рынке и пригодных для утилизации сбросной теплоты тепловых электростанций. Проанализированы вероятные потребители теплоты, производимой теплонасосными установками, на тепловых электростанциях и простейшие принципиальные схемы рекуперации.
На прикладі аналізу роботи впродовж року міської теплоелектроцентралі оцінено потенціал скидної теплоти, придатної для використання в теплових насосах як низькопотенційної. Розглянуто характеристики теплових насосів, наявних на світовому ринку і придатних для утилізації скидної теплоти теплових електростанцій. Проаналізовано вірогідні споживачі теплоти, що виробляється теплонасосними установками, на теплових електростанціях та прості принципові схеми рекуперації.
Principal possibility of heat-pumping technologies application for heat recovery of the traditionally lost low-grade heat on the thermal electric stations with the purpose of efficiency increase of the primary fuel use is considered. On the example of municipal heat-electric generating plant work during a year analysis waste heat potential suitable for the use in heat-pumps as low-grade heat is appraised. Characteristics of heat-pumps that are present in the world market and suitable for thermal power-stations waste heat utilization are considered. The credible consumers of producible heat-pumping installations heat on thermal power-stations and the simplest basic schemes are analyzed. The brought results show technical feasibility and perspective of heatpumping direction of the thermal electric stations low-grade heat utilization and necessity of further researches realization for the ground of his technical and economic expediency.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:10:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 11
УДК 577.4: 621.039.584
Н. Б. Чиркин*, канд. техн. наук
М. А. Кузнецов*, канд. техн. наук
Е. В. Шерстов*
В. Н. Стенников**
* Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины
(г. Харьков, e-mail: chirkin@ipmach.kharkov.ua)
** ПАО «Харьковская ТЭЦ-5»
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ВОЗМОЖНОСТЬ И ТЕХНИЧЕСКАЯ
РАЦИОНАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОНАСОСНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
На примере анализа работы городской теплоэлектроцентрали в течение года оценён
потенциал сбросной теплоты, пригодной для использования в тепловых насосах в каче-
стве низкопотенциальной. Рассмотрены характеристики тепловых насосов, имеющих-
ся на мировом рынке и пригодных для утилизации сбросной теплоты тепловых элек-
тростанций. Проанализированы вероятные потребители теплоты, производимой теп-
лонасосными установками, на тепловых электростанциях и простейшие принципиаль-
ные схемы рекуперации.
На прикладі аналізу роботи впродовж року міської теплоелектроцентралі оцінено по-
тенціал скидної теплоти, придатної для використання в теплових насосах як низько-
потенційної. Розглянуто характеристики теплових насосів, наявних на світовому ринку
і придатних для утилізації скидної теплоти теплових електростанцій. Проаналізовано
вірогідні споживачі теплоти, що виробляється теплонасосними установками, на теп-
лових електростанціях та прості принципові схеми рекуперації.
Ключевые слова: тепловой насос, теплонасосная установка, тепловая электрическая
станция, теплоэлектроцентраль, энергетическая эффективность, повышение, сброс-
ная теплота, утилизация.
Введение
Начиная со средины 70-х годов прошлого века тепловые электрические станции
(ТЭС) достигли предела своего термодинамического совершенства, определяемого началь-
ными параметрами пара, которые ограничиваются свойствами применяемых материалов в
котлотурбостроении и конечным вакуумом, технически и экономически рационально дос-
тижимым. Дальнейшее повышение технико-экономических показателей ТЭС требует поиска
новых нетрадиционных путей. Одним из возможных решений этой задачи может рассматри-
ваться применение теплонасосных технологий для рекуперации энергетического потенциала
сбросных низкотемпературных потоков, имеющихся в достаточном количестве в технологи-
ческой схеме ТЭС.
Напомним, что тепловые насосы (ТН), преобразующие тепловую низкотемператур-
ную энергию в энергию более высокого потенциала, пригодную для практического исполь-
зования, нашли в мире широкое применение в системах теплохладоснабжения объектов жи-
лищно-коммунального хозяйства [1–3]. Достижения последних лет в теплонасосостроении,
связанные с увеличением единичной мощности агрегатов, с ростом температуры теплоноси-
теля в контуре высокого давления, с повышением энергетической эффективности преобра-
зования энергии, позволяют рассматривать возможность внедрения ТН в технологические
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 12
схемы тепловых электрических станций. В этом случае традиционно теряемая с циркуляци-
онной водой теплота конденсации пара или сбросная теплота, отводимая с жидкостями, ох-
лаждающими энергетическое оборудование, может быть преобразована в тепловом насосе и
повторно использована, например, для подогрева подпиточной химически очищенной воды,
подогрева магистральной воды в тепловых сетях, для отопления и горячего водоснабжения
помещений станции и пристанционного посёлка. При этом появляется возможность вытес-
нения пара теплофикационного отбора в сетевых подогревателях и его использование в час-
ти низкого давления турбины для производства дополнительной электрической мощности.
Известно, что потери теплоты в конденсаторах паровых турбин являются наиболее
значительными при оценке экономической эффективности ТЭС. В конденсационных турбо-
установках с циркуляционной водой в окружающую среду сбрасывается до 60–70% общей
теплоты на турбоустановку. Потеря теплоты в конденсаторах теплофикационных турбо-
установок достигает значений 20–60% в зависимости от режима (теплофикационного или
конденсационного) и графика работы.
Из-за низкого температурного уровня теплота, отводимая при охлаждении электро-
генераторов, от охлаждаемого масла подшипников и системы регулирования, от систем вен-
тиляции и др., также рассеивается в окружающей среде.
В настоящей статье рассматривается принципиальная возможность применения теп-
лонасосных технологий для рекуперации традиционно теряемой низкопотенциальной теп-
лоты на тепловых электрических станциях с целью повышения эффективности использова-
ния первичного топлива.
Основная часть
С точки зрения использования топлива производство электрической энергии и теп-
лоты в едином цикле на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) считается более эффективным, чем их
раздельное производство на ТЭС и районных котельных. В то же время имеется особенность
эксплуатации теплофикационных турбин на ТЭЦ, обусловленная режимом работы. Когда
турбина работает по тепловому графику, то задаётся нагрузка теплового потребителя, кото-
рая всецело определяет выработку электрической энергии. При закрытой регулирующей
диафрагме теплофикационного отбора количество пара, поступающего в теплофикационный
или отопительный отбор, максимально, а пара, поступающего в конденсатор, минимально, и
последнее определяется расходом, необходимым для охлаждения ступеней цилиндра низко-
го давления турбины, или чтобы исключить их работу в «вентиляционном» режиме. Изме-
нение нагрузки турбины при работе по тепловому графику осуществляется за счёт измене-
ния расхода свежего пара на турбоустановку регулирующими клапанами парораспределения
части высокого давления и/или степенью открытия регулирующей диафрагмы теплофика-
ционного отбора. Поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается на тепловом
потреблении, режим работы по тепловому графику характеризуется высокой экономично-
стью и минимальными потерями тепла с циркуляционной водой в окружающую среду.
Увеличение выработки электрической энергии сверх производимой на тепловом по-
треблении требует увеличения пропуска пара в конденсатор. Таким образом, работа тепло-
фикационной турбины по электрическому графику с независимым заданием электрической
и тепловой нагрузок характеризуется повышенными потерями теплоты с циркуляционной
водой.
В случае отсутствия внешнего теплового потребления (при работе теплофикацион-
ных турбин в конденсационном режиме) вырабатываемая тепловая нагрузка незначительна
(собственные нужды станции, отопление и горячее водоснабжение станционных посёлков) и
покрывается обычно за счёт организации нерегулируемых отборов пара сверх регенерации.
При этом почти весь пар, вырабатываемый парогенератором, направляется в конденсатор
турбины и теплота его конденсации теряется с циркуляционной водой. Для повышения эко-
номичности и уменьшения потребления природного первичного топлива на ТЭЦ предлага-
ется утилизация низкопотенциального тепла, традиционно сбрасываемого в окружающую
среду.
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 13
Исследование технической возможности такой утилизации выполнено на базе анали-
за работы городской ТЭЦ в течение календарного 2013 года.
На ТЭЦ установлены два блока с котлами ТГМЕ-464 и турбинами Т110/120-130 об-
щей тепловой мощностью 350 Гкал/ч и электрической 240 МВт и один блок с котлом
ТГМП-344А и паровой турбиной Т250/300-240, тепловой мощностью 350 Гкал/ч и электри-
ческой 300 МВт. Котлы изготовлены на Таганрогском котельном заводе, турбины – произ-
водства Уральского турбомоторного завода.
Основной подогрев сетевой воды из обратной магистрали системы централизованно-
го теплоснабжения осуществляется в кожухотрубных подогревателях горизонтального типа
(ПСГ) паром из регулируемых теплофикационных отборов. Отборы пара расположены в ци-
линдрах среднего давления (ЦСД) турбин. На каждом энергоблоке установлено по два ПСГ.
Для регулирования давления пара отопительного отбора за ними на входе пара в цилиндр
низкого давления (ЦНД) устанавливается поворотная диафрагма. Чем выше потребная теп-
ловая нагрузка, тем большее количество пара направляется в отопительный отбор, а количе-
ство пара, направляемое в часть низкого давления и далее в конденсатор, пропорционально
уменьшается закрытием регулирующей диафрагмы. Уменьшаются, следовательно, потери
тепла в конденсаторе турбины, и улучшаются технико-экономические показатели электро-
станции, несмотря на некоторое снижение выработки энергии из-за отбора пара из проточ-
ной части.
Для покрытия пиковой тепловой нагрузки в особо холодные дни дополнительный
подогрев сетевой воды осуществляется в пиковых водогрейных котлах ПТВМ-180, изготов-
ленных Барнаульским котельным заводом.
Химический цех ТЭЦ обеспечивает подготовку подпиточной сетевой воды высокого
качества, предназначенной для восполнения пара и конденсата на блоках и выработки под-
питочной воды для теплофикационной сети города. Производительность цеха химводоочи-
стки – до 800 т/ч.
На ТЭЦ применена замкнутая система технического оборотного водоснабжения с
двумя башенными градирнями. Производительность градирни 28000–30000 м3/ч при темпе-
ратурном перепаде 10–8° С.
Общее уравнение энергии для паровых турбин имеет вид
Qтурб = 0,86⋅Nэл + QТ + QП + QК,
где Qтурб – затраты теплоты на турбину, Гкал/ч; Nэл – выработанная на станции электриче-
ская мощность, МВт; QТ – суммарная нагрузка отопительных отборов, Гкал/ч; QП – потери
теплоты механические, электрические, радиационные, Гкал/ч; QК – потери теплоты с цирку-
ляционной водой в конденсаторе турбины, Гкал/ч.
С циркуляционной водой, помимо теплоты конденсации основного потока пара QК,
теряется (из-за низкого температурного потенциала) теплота, отводимая при охлаждении
обмоток и стали турбоэлектрогенераторов, охлаждении масла и энергетического оборудова-
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Э
ле
кт
ич
ес
ка
я
м
ощ
но
ст
ь,
М
В
т
Календарные дни
2
1
3
Рис. 1. Годовая выработка электрической энергии:
1 – блок №1; 2 – блок №2; 3 – блок №3
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 14
ния. Наличие потерь приводит к понижению энергетической эффективности ТЭЦ.
Обработка данных режимных карт эксплуатации оборудования станции в 2013 году
даёт представление о выработке электрической энергии (рис. 1), тепловой энергии (рис. 2), о
затратах циркуляционной воды и её температуре на выходе из конденсатора (рис. 3).
Анализ графиков показывает, что нагрузка энергоблоков в течение рассматриваемо-
го периода крайне неравномерна. Блок 1 (с первой турбиной Т110/120-130) не работал 20%
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Т
еп
ло
ва
я
на
гр
уз
ка
,
Г
ка
л/
ч
Календарные дни
2
1
3
Рис. 2. Годовая выработка тепловой энергии:
1 – блок №1; 2 – блок №2; 3 – блок №3
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 100 200 300 400
Ра
сх
од
ц
ир
кв
од
ы
, т
/ч
Календарные дни
2
1 3
а)
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300 400
Т
ем
пе
ра
ту
ра
ц
ир
кв
од
ы
на
в
хо
де
и
в
ы
хо
де
и
з
ко
нд
ен
са
то
ра
, г
ра
дС
Календарные дни
2
1
3
6 5
4
б)
Рис. 3. Характеристика циркуляционной воды:
а) – расход: 1 – блок №1; 2 – блок №2; 3 – блок №3;
б) – температура: 1 – блок №1 на входе; 2 – блок №2 на входе; 3 – блок №3 на входе;
4 – блок №1 на выходе; 5 – блок №2 на выходе; 6 – блок №3 на выходе
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 15
анализируемого времени, блок 2 (со второй турбиной Т110/120-130) простаивал 47% време-
ни и блок 3 (с турбиной Т250/300-240) – 34% времени. Эксплуатация блоков проходила с
нагрузкой ниже номинальной. Констатация этих фактов позволяет сделать вывод, что стан-
ция имеет потенциальные возможности по увеличению как выработки электроэнергии, так и
по производству теплоты и по повышению эффективности работы станции в целом. Однако
исследования этого направления, связанные с внешней загрузкой станции, в настоящей ста-
тье не затрагиваются.
Анализируя параметры сетевой воды в магистрали её возврата от потребителя на
ТЭЦ и параметры циркуляционной воды, выходящей из конденсаторов паровых турбин
(рис. 4), нетрудно заметить, что существует потенциальная возможность рекуперации
сбросной теплоты циркуляционной воды с помощью тепловых насосов для уменьшения за-
трат теплоты по станции для целей теплофикации. Из графика на рис. 3 следует, что даже в
зимние холодные дни температура циркуляционной воды не снижается ниже 13° С, что при-
емлемо при использовании её для парокомпрессионных тепловых насосов в качестве низко-
потенциального источника.
Оперируя данными режимных карт, нетрудно подсчитать, что при охлаждении
28000 т/ч циркуляционной воды в испарителях тепловых насосов даже на 3° С теплосъём
может составить до 97,8 МВт. Рекуперируя эту низкопотенциальную энергию, которая тра-
диционно выбрасывается в окружающее пространство, в тепловых насосах с коэффициен-
том трансформации не ниже 3,5 можно получить около 118 Гкал/ч тепловой энергии. Прав-
да, при этом необходимо затратить некоторое количество электрической энергии для реали-
зации преобразования энергии в тепловом насосе. Заметим, что циркуляционная вода пол-
ностью или частично охлаждается в испарителе ТН и, следовательно, за счёт понижения её
40
50
60
70
80
0 100 200 300 400
Т
ем
пе
ра
ту
ра
с
ет
ев
ой
во
ды
, г
ра
дС
Календарные дни
2
1
34
а)
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
0 100 200 300 400Ра
сх
од
с
ет
ев
ой
в
од
ы
,
т/
ч
Календарные дни
2
1
б)
Рис. 4. Параметры сетевой воды по магистралям станции:
а) – температура: 1 – магистраль №1 прямая; 2 – магистраль №2 прямая;
3 – магистраль №1 обратная; 4 – магистраль №2 обратная;
б) – расход: 1 – магистраль №1; 2 – магистраль №2;
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 16
температуры в конденсаторе турбины улучшается вакуум и появляется возможность выра-
ботки дополнительной электрической энергии, которая может быть использована для при-
вода компрессора теплового насоса. Это даёт основание говорить о комплексном использо-
вании теплонасосных технологий, используя в качестве теплообменников ТН как со сторо-
ны нагрева, так и со стороны охлаждения.
При разработке тепловой и технологической схем внедрения теплонасосной уста-
новки (ТНУ) наибольший интерес представляет использование сбросной теплоты циркуля-
ционной воды после конденсаторов турбин для ступенчатого подогрева подпиточной воды
(с промежуточной химводоочисткой) до температуры в обратной магистрали или для подог-
рева сетевой воды из обратной магистрали. Схема утилизации теплоты сбросной циркуля-
ционной воды после конденсаторов паровых турбин и передачи в обратную магистраль
представлена на рис. 5.
От сбросной циркуляционной воды теплота отводится в испарителе теплового насо-
са 12, а в конденсаторе 8 энергия, преобразованная в тепловом насосе, передаётся обратной
сетевой воде. В результате оценочных расчётов по методике, приведенной в работе [4], было
получено, что при расходе циркуляционной воды на три блока в зимнее время 30000 т/ч с
минимальной температурой 14° С и охлаждении её на 2° С в испарителях теплового насоса
экономия теплоты составит 88 Гкал/ч. Эта теплота может быть передана сетевой воде вме-
сто выброса в окружающую среду, что эквивалентно экономии 12,6 т у. т./ч.
Имеется также потенциальная возможность утилизации сбросной теплоты, отводи-
мой при охлаждении энергетического оборудования станции. Так, на рис. 6 приведена прин-
ципиальная схема рекуперации теплоты, отводимой при охлаждении электрических обмоток
и металла турбоэлектрогенератора для подогрева подпиточной химически очищенной воды.
Считая, что отводимая теплота пропорциональна вырабатываемой электрической
мощности генератора Nэл и полностью отдаётся рабочему телу в испарителе теплового на-
1
2 3 4
5
67
8
9
1011
12
13
14
Рис. 5. Принципиальная схема использование ТН для подогрева сетевой воды на ТЭЦ:
1 – электрический генератор блока; 2 – ЦНД турбины; 3 – ЦСД турбины; 4 – сетевой подогреватель
2-й ступени; 5 – горячая сетевая вода к потребителю; 6 – холодная сетевая вода от потребителя; 7 –
сетевой подогреватель 1-й ступени; 8 – конденсатор ТН; 9 – терморегулирующий вентиль ТН; 10 –
компрессор ТН; 11 – тепловой насос; 12 – испаритель ТН; 13 – циркуляционный насос; 14 – конден-
сатор турбины
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 17
соса 10, при заданных КПД электрогенератора ηг и коэффициенте преобразования теплового
насоса (СОР) в конденсаторе теплового насоса 6 подпиточной воде будет передана теплота в
количестве
QТНУ = 0,8598⋅Nэл(1 – ηг)/(1 – 1/СОР) .
Здесь QТНУ – теплота, переданная подпиточной воде в конденсаторе теплового насоса,
Гкал/ч; Nэл – электрическая мощность генератора с КПД ηг, МВт; СОР – коэффициент пре-
образования теплового насоса.
Экономия условного топлива определится как
ΔВ = QТНУ/7000 ηку,
где ηку – КПД замещающей котельной установки.
Используя данные режимных карт и приняв СОР = 4,5, ηг = 0,95 и ηку = 0,86, можно
получить, что экономия топлива на подогрев подпиточной воды в количестве 300 т/ч от
температуры 12 до 45 °С за анализируемый отрезок времени может составить 11,52 МВт
(9,9 Гкал/ч).
Приведенные результаты показывают техническую осуществимость и перспектив-
ность теплонасосного направления утилизации низкопотенциальной теплоты тепловых
электрических станций и необходимость проведения дальнейших исследований для обосно-
вания его технико-экономической целесообразности.
Применение ТНУ на ТЭЦ выгодно не только технологически (улучшается вакуум в
конденсаторе и повышается выработка электроэнергии), но и экономически (реальная эко-
номия топлива или повышение тепловой мощности ТЭЦ без дополнительных расходов на
топливо и излишних капитальных затрат).
Основной целью внедрения ТНУ в технологическую схему тепловых станций явля-
ется уменьшение затрат первичного топлива для производства теплоты и электроэнергии.
Поэтому последующие исследования будут состоять в:
– выборе окончательной схемы для проекта конкретной задачи;
– разработке математической модели и оценке её адекватности по данным результатов на-
турных испытаний;
– проведении многовариантных оптимизационных расчетов для выбора рациональных па-
раметров;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1011
12
Рис. 6. Принципиальная схема использования ТН для утилизации теплоты,
отводимой при охлаждении электрогенератора:
1 – ЦНД турбины; 2 – электрический генератор блока; 3 – система охлаждения электрогенератора; 4
– тепловой насос; 5 – терморегулирующий вентиль ТН; 6 – конденсатор ТН; 7 – нагретая подпиточ-
ная вода; 8 – холодная подпиточная вода; 9 – компрессор ТН; 10 – испаритель ТН; 11 – насос тепло-
носителя системы охлаждения электрогенератора; 12 – конденсатор турбины
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 18
– подборе основного утилизационного оборудования по критерию минимальной стоимости
при высокой эффективности и надёжности работы;
– технико-экономическом и эксергетическом анализе для обоснования целесообразности
внедрения для энергосбережения и принятия инвестиционных решений.
В настоящее время доказана целесообразность применения тепловых насосов для
обогрева небольших домов, коттеджей, зданий социального и административного назначе-
ния. В качестве низкопотенциального источника теплоты здесь выступает природная энер-
гия окружающей среды (грунт, вода, воздух) [5]. В системах теплохладоснабжения про-
мышленных объектов тепловые насосы встречаются реже. Основные причины – это ограни-
чение температуры, высокотемпературного теплоносителя уровнем до 55° С и проблемы
при создании тепловых насосов большой единичной мощности. Определённые шаги для
решения этих вопросов уже сделаны.
Австрийская компания OCHSNER в 2012 г. приступила к серийному производству
высокотемпературных тепловых насосов. Для достижения температуры в горячем контуре
95° С компания разработала двухфазный круговой процесс с использованием для первой
фазы хладагента R134а, а для второй фазы – ОКО1 (оба хладагента негорючие, нетоксичные,
с низким рабочим давлением). Высокотемпературные тепловые насосы выпускаются мощ-
ностью от 190 до 750 кВт в единичном изделии, при этом температура нагретой воды на вы-
ходе из конденсатора достигает 100° С при температуре источника тепла не ниже 10° С.
По данным РОСНАУКИ [6] в рамках проекта ФЦ 2002–2006 научно- производст-
венной фирмой ЭКИП, Московским энергетическим институтом, Московским государст-
венным университетом инженерной экологии и другими соисполнителями разработана кон-
структорская документация теплового насоса ТНСО2-2300 мощностью до 23 МВт с исполь-
зованием в качестве рабочего тела диоксида углерода. Тепловой насос предназначен для по-
догрева сетевой воды систем теплофикации при утилизации бросовой теплоты объектов
промышленной энергетики. При входной температуре сетевой воды 15° С может быть полу-
чена выходная температура до 80 °С, при этом температура низкопотенциального теплоно-
сителя с 28 °С охлаждается до 20 °С. Преобразование энергии происходит с коэффициен-
том не менее 5,0. С применением разработанного теплового насоса предложен проект атом-
но-теплонасосной теплофикации районов г. Санкт-Петербурга с утилизацией сбросной теп-
лоты конденсаторов паровых турбин Ленинградской АЭС-2.
Компания Mc-Quay International освоила производство чиллеров серии WHS-E с во-
дяными конденсаторами и винтовыми компрессорами холодопроизводительностью от 333
до 1510 кВт, чиллеров высокой эффективности WHS-E-XE холодопроизводительностью от
343 до 957 кВт и чиллеров серии PFS«C» холодопроизводительностью от 369 до 1215 кВт.
Из технических характеристик следует, что при тестовых значениях температуры воды на
входе/выходе из испарителя 12/7° С и температуре воды на выходе из конденсатора 55° С
холодильный коэффициент равен 4,78. Номинальный расход воды через испаритель в моди-
фикации WHS E-429 – до 281 т/ч, через конденсатор – 658 т/ч.
ОАО «РТИ им. А. Л. Минца» в составе группы компаний г. Санкт-Петербурга начала
производить тепловые насосы большой тепловой мощности от 100 до 5000 кВт. Например,
тепловой насос ТН-1500 тепловой мощностью 1552 кВт с коэффициентом преобразования
3,73 способен нагревать около 55,6 т/ч воды до температуры 59° С. Холодильный агент –
R134.
В 2012 году корпорация Mitsubishi Heavy Industries, Ltd вывела на российский рынок
промышленные тепловые насосы серии ETW. При теплопроизводительности до 500 кВт
температура нагреваемой воды достигает 95° С. Это оборудование крайне востребовано на
внутреннем японском рынке и по достоинству оценено европейскими заказчиками. К сожа-
лению, на украинском рынке эти тепловые насосы пока не востребованы.
Известны промышленные тепловые насосы американской корпорации Mammoth се-
рии вода–вода производительностью от 248 до 3500 кВт на базе винтовых компрессоров.
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 19
Работы по внедрению теплонасосных технологий в схемы тепловых электрических
станций ведутся в США, Англии, Швеции, Германии, России.
На ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» создан лабораторный стенд по апробации схем при-
менения теплонасосных установок в энергетике [7]. Теплонасосная установка НТ-410, изго-
товленная на заводе «Компрессор», смонтирована и обвязана с существующим оборудова-
нием ТЭЦ. В качестве низкопотенциального источника энергии для ТНУ использована
сбросная теплота циркуляционной воды после конденсаторов турбин. В результате испыта-
ний рекомендованы к разработке схемы с передачей сбросной теплоты циркуляционной во-
ды в обратную тепломагистраль теплосети (до подогревателей сетевой воды) и использова-
ния сбросной теплоты для ступенчатого нагрева в ТНУ подпиточной сетевой воды.
Для уменьшения потребления природного газа на ТЭЦ-5 г. Киева предлагается ис-
пользование для тепловых насосов единичной мощностью 5 МВт (изготовитель шведская
фирма TERMOECONOMI) низкопотенциального тепла циркуляционной воды, охлаждаю-
щей конденсаторы паровых турбин [8]. По данным авторов, дополнительно может быть вы-
работано до 200 Гкал/ч теплоты. В этой же статье авторы приводят пример успешной рабо-
ты упомянутых тепловых насосов на станции Nimrod, Stockholm City.
Интересный проект представлен на международной конференции в г. Алуште 2013 г.
коллективом авторов из ИТТФ НАН Украины (г. Киев) [9]. Предложен проект строительства
теплонасосной станции, укомплектованной шестью тепловыми насосами Unitop 50FY
Friotherm AG (Швеция) единичной мощностью 20 МВт.
Заключение
На примере анализа энергетических нагрузок городской ТЭЦ оценён потенциал её
низкотемпературных сбросных тепловых потоков. Достижения в создании современных
промышленных теплонасосных установок позволяют осуществлять реализацию проектов по
утилизации значительной части этой традиционно теряемой сбросной низкопотенциальной
энергии. Рациональность рекуперированной теплоты обусловлена возможностью с помо-
щью ТНУ, не затрачивая дополнительного топлива, организовать подогрев подпиточной во-
ды, производить подогрев сетевой воды из обратной магистрали в конденсаторе теплового
насоса с вытеснением сетевого подогревателя первой ступени, захолаживание обратной се-
тевой воды в испарителе теплового насоса и подогрев её в дополнительном пучке конденса-
тора турбины, улучшая в последнем вакуум и повышая выработку электроэнергии. Для вы-
вода об экономической целесообразности такой утилизации необходимо выполнить много-
вариантные оптимизационные расчёты различных схем, обосновывающие реальную эконо-
мию первичного топлива, повышение выработки электроэнергии и теплоты, повышение
энергетической эффективности работы турбин за счёт применения теплонасосных техноло-
гий, с учётом действующих тарифов на электро- и теплоэнергию, достоверных данных по
коэффициенту преобразования ТНУ, капитальных и эксплуатационных затрат.
Литература
1. Долинский, А. А. Теплонасосные технологии в Украине. Состояние и перспективы развития /
А. А. Долинский // Тепловые насосы в странах СНГ: сб. тез. докл. междунар. конф., 14–16 мая
2013 г. – Алушта (Крым, Украина), 2013. – 1 с. –1 электрон. опт. диск (СD-R).
2. Мацевитый, Ю. М. Об использовании тепловых насосов в мире и что тормозит их широкомас-
штабное внедрение в Украине / Ю. М. Мацевитый, Н. Б. Чиркин, А. С. Клепанда // Энергосбереже-
ние. Энергетика. Энергоаудит. – 2014. – № 2. – С. 2–17.
3. Proc. 10th IEA Heat Pump Conference 2011, 16–19 May 2011. Tokyo, 2011. – 935 p.
4. Молодкина, М. А. Повышение технико-экономических показателей парогазовых тепловых элек-
тростанций путём утилизации низкопотенциальной теплоты с использованием тепловых насосов /
М. А. Молодкина // Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Спб, 2012. – 16 с.
5. Степаненко, В. А. Тепловые насосы в системах теплоснабжения и кондиционирования городов и
зданий Украины в 21 веке / В. А. Степаненко, А. С. Афанасьев // Тепловые насосы в странах СНГ:
сб. тез. докл. междунар. конф., 14-16 мая 2013 г. – Алушта (Крым, Украина), 2013. – 1 с. –
1 электрон. опт. диск (СD-R).
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 20
6. Атомно-теплонасосная теплофикация (АТТ) как новое направление в развитии энергетики /
В. П. Проценко, С. Б. Пустовалов, А. И. Савицкий, С. К. Легуенко // Энергосбережение и водопод-
готовка. – 2010. – № 1. – С. 25–29.
7. Девянин, Д. Н. Разработка и испытание на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» лабораторного стенда по
апробации схем использования теплонасосных установок в энергетике / Д. Н. Девянин,
С. И. Пищиков, Ю. Н. Соколов // Новости теплоснабжения. – 2000. – № 1. – C. 31–34.
8. Никифорович, Є. І. Перспективи використання теплових насосів для утилізації
низькопотенційного тепла на прикладі ТЕЦ-5 м. Києва / Є. І. Никифорович, Ю. М. Литвинюк //
Нова тема. – 2008. – № 4. – C. 13–16.
9. Басок, Б. И. Проект использования мощных тепловых насосов на объектах большой энергетики /
Б. И. Басок, А. Н. Недбайло, М. Ю. Щвец // Тепловые насосы в странах СНГ: сб. тез. докл. между-
нар. конф., 14–16 мая 2013 г. – Алушта (Крым, Украина), 2013. – 1 с. – 1 электрон. опт. диск
(СD-R).
Поступила в редакцию
12.03.14
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80969 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:10:19Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Чиркин, Н.Б. Кузнецов, М.А. Шерстов, Е.В. Стенников, В.Н. 2015-04-29T16:30:02Z 2015-04-29T16:30:02Z 2014 Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии / Н.Б. Чиркин, М.А. Кузнецов, Е.В. Шерстов, В.Н. Стенников // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 1. — С. 11-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80969 577.4: 621.039.584 На примере анализа работы городской теплоэлектроцентрали в течение года оценён потенциал сбросной теплоты, пригодной для использования в тепловых насосах в качестве низкопотенциальной. Рассмотрены характеристики тепловых насосов, имеющихся на мировом рынке и пригодных для утилизации сбросной теплоты тепловых электростанций. Проанализированы вероятные потребители теплоты, производимой теплонасосными установками, на тепловых электростанциях и простейшие принципиальные схемы рекуперации. На прикладі аналізу роботи впродовж року міської теплоелектроцентралі оцінено потенціал скидної теплоти, придатної для використання в теплових насосах як низькопотенційної. Розглянуто характеристики теплових насосів, наявних на світовому ринку і придатних для утилізації скидної теплоти теплових електростанцій. Проаналізовано вірогідні споживачі теплоти, що виробляється теплонасосними установками, на теплових електростанціях та прості принципові схеми рекуперації. Principal possibility of heat-pumping technologies application for heat recovery of the traditionally lost low-grade heat on the thermal electric stations with the purpose of efficiency increase of the primary fuel use is considered. On the example of municipal heat-electric generating plant work during a year analysis waste heat potential suitable for the use in heat-pumps as low-grade heat is appraised. Characteristics of heat-pumps that are present in the world market and suitable for thermal power-stations waste heat utilization are considered. The credible consumers of producible heat-pumping installations heat on thermal power-stations and the simplest basic schemes are analyzed. The brought results show technical feasibility and perspective of heatpumping direction of the thermal electric stations low-grade heat utilization and necessity of further researches realization for the ground of his technical and economic expediency. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Теплопередача в машиностроительных конструкциях Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии Potential possibility and technical rationality of heat-pumping technologies application at the combined production of electric and thermal energy Article published earlier |
| spellingShingle | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии Чиркин, Н.Б. Кузнецов, М.А. Шерстов, Е.В. Стенников, В.Н. Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| title | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии |
| title_alt | Potential possibility and technical rationality of heat-pumping technologies application at the combined production of electric and thermal energy |
| title_full | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии |
| title_fullStr | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии |
| title_full_unstemmed | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии |
| title_short | Потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии |
| title_sort | потенциальная возможность и техническая рациональность применения теплонасосных технологий при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии |
| topic | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| topic_facet | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80969 |
| work_keys_str_mv | AT čirkinnb potencialʹnaâvozmožnostʹitehničeskaâracionalʹnostʹprimeneniâteplonasosnyhtehnologiiprikombinirovannomproizvodstveélektričeskoiiteplovoiénergii AT kuznecovma potencialʹnaâvozmožnostʹitehničeskaâracionalʹnostʹprimeneniâteplonasosnyhtehnologiiprikombinirovannomproizvodstveélektričeskoiiteplovoiénergii AT šerstovev potencialʹnaâvozmožnostʹitehničeskaâracionalʹnostʹprimeneniâteplonasosnyhtehnologiiprikombinirovannomproizvodstveélektričeskoiiteplovoiénergii AT stennikovvn potencialʹnaâvozmožnostʹitehničeskaâracionalʹnostʹprimeneniâteplonasosnyhtehnologiiprikombinirovannomproizvodstveélektričeskoiiteplovoiénergii AT čirkinnb potentialpossibilityandtechnicalrationalityofheatpumpingtechnologiesapplicationatthecombinedproductionofelectricandthermalenergy AT kuznecovma potentialpossibilityandtechnicalrationalityofheatpumpingtechnologiesapplicationatthecombinedproductionofelectricandthermalenergy AT šerstovev potentialpossibilityandtechnicalrationalityofheatpumpingtechnologiesapplicationatthecombinedproductionofelectricandthermalenergy AT stennikovvn potentialpossibilityandtechnicalrationalityofheatpumpingtechnologiesapplicationatthecombinedproductionofelectricandthermalenergy |