Использование теплонасосных станций в системах теплоснабжения

Теплонасосная станция (ТНС) представляет собой энергетическое теплогенерирующее предприя­тие нового типа, отличающееся высокой эконо­мией топлива, значительным снижением загрязне­ния окружающей среды в обслуживаемых населен­ных пунктах и маневренностью, позволяющей использовать ТНС в качестве потребителей-регу­ляторов нагрузки энергосистем. В состав основного оборудования ТНС входят парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ) и пиковые водо­грейные котлы (ПВК). Необходимым условием сооружения ТНС является наличие источника низ­копотенциального тепла.

Энергетические, экономические и экологические преимущества ТНС обусловливают целесообраз­ность замены ими части водогрейных котельных, вырабатывающих в настоящее время около поло­вины тепловой энергии в стране и потребляющих сотни миллионов тонн топлива ежегодно.

Для применения тепловых насосов в больших масштабах в системах теплоснабжения нашей стра­ны с получением существенной экономии топлива и повышением маневренности энергосистем нужны установки большой единичной мощности по схеме «вода — вода». Минимальная единичная электриче­ская мощность требуемых для этого парокомпрессионных машин (3—6 МВт) совпадает с макси­мальной мощностью уже существующих и раз­работанных отечественных холодильных машин. Для облегчения регулирования и повыше­ния надежности теплонасосной станции необходимо применять 3—5 машин (теплонасоеных блоков), поэтому электрическую мощность одной ТНС на базе существующих машин можно довести до 20— 30 МВт и теплопроизводительность ТНУ до 100 МВт. В комплексе с ПВК, покрывающими пиковую нагрузку подобно схемам ТЭЦ, полная теплопроизводительность ТНС составит около 200 МВт при обычном температурном графике 150 / 70°С.

В качестве источника низкопотенциального тепла для мощных установок целесообразно ис­пользовать природные незамерзающие водоемы (в частности, Черное море), низко­потенциальные слабоминерализованные воды само­изливающихся скважин, сбросную воду систем охлаждения машин, под­лежащую охлаждению воду в системах техниче­ского водоснабжения промышленных предприятий.

Примером крупного источника низкопотенциального тепла, который можно эффективно использовать в тепловых насосах, является очищенная сбрасываемая вода городских станций аэрации в городах.

При расчете ТНС важнейшим показателем яв­ляется коэффициент преобразования φ = Q/N — от­ношение полученного тепла к затраченной электро­энергии. Этот коэффициент сильно зависит от температур теплоприемника и теплоотдатчика.

Теплоотдачик, например сбросная вода станций аэрации, имеет практически постоянную темпера­туру в течение отопительного периода. Теплоприемник — вода для нужд теплоснабжения — харак­теризуется переменными температурами воды в по­дающей τ₁ и обратной τ₂ линиях тепловой сети, а также температурой холодной воды t_Х.

Выбор оптимальных параметров и разработка тепловой схемы ТНС производятся с помощью обычного годового графика продолжительности суммарной тепловой нагрузки (отопления, вентиля­ции и горячего водоснабжения), на котором строят­ся показатели работы ТНУ .

Как показали расчеты, при наличии источни­ка низкопотенциального тепла (воды с температу­рой выше 10°С) теплонасосные станции дают по сравнению с районными котельными экономию топ­лива от 28 до 34%, экономию приведенных затрат до 30% при работе по свободному графику и до 40% при рабо­те в период провала графика электрической на­грузки, При этом сжигание топ­лива в черте города снижается в 3—10 раз.

Рассмотрим на примере одного проекта возможность включения в существующую систему теплоснабжения теплонасосной станции.

Имеется районная котельная поселка Некрасовка телопроизводительностью 46 МДж/с. На расстоянии 1,6 км от котельной находится станция аэрации, которая ежесуточно сбрасывает в море 1,7 млн.м³ очищенной воды с температурой в январе не ниже 15 ⁰С.

После строительства теплонасосной установки (ТНУ) котельная будет работать в пи­ковом режиме в составе теплонасосной станции (ТНС). В летний период ТНУ будет покрывать также нагрузку горячего водоснабжения 10 МДж/с котель­ной мощностью 70 МДж/c, находящейся на расстоянии 1,9 км от ТНС.

Система теплоснабжения поселка Некрасовка - закрытая с присоединением отопительных установок по зависимой схеме, а установок горячего водоснабжения - по двухступенчатей сме­шанной схеме. Расчетная величина суммарной тепловой нагрузки ТНС в отопительный максимум составляет 38 МДж/с, а в летний период - 16, в том числе 6 МДж/с - район Некрасовка.

Выбор оптимальных параметров и разработка тепловой схе­мы ТНС произведены с учетом годового графика продолжительности суммарной тепловой нагрузки (рис.1).

Для рассматриваемого района доля расхода теплоты на го­рячее водоснабжение в расчетной суммарной нагрузке равна 0,244. При расчетной тепловой нагрузке 36 МДж/с годовая вы­работка составляет 515 тыс.ГДж, из которых ТНУ покрывает 485, а ПВК – 130.

Принципиальная тепловая схема ТНС представлена на рис.2.

ТНС работает следующим образом: вода из обратной маги­страли тепловой сети поступает на сетевой насос и затем в конденсатор, где нагревается до максимальной температуры 65-80 ⁰С.

Далее нагретая вода поступает на догрев (если он требуется по температурному графику) в пиковую водогрей­ную котельную . При этом низкопотенциальная вода из сброс­ного канала станции аэрации насосом подается в испаритель теплового насоса, где охлаждается на 3-7°С и сно­ва поступает в сбросной канал станции аэрации.

Рис. 1 Годовой график температурной и суммарной тепло­вой нагрузки с распределением теплоты, между ТНУ и ПВК

τ₁, τ₂ -температура сетевой вода в подающей и обратной магистрали THC; - нагрузка отопления;Q_сум - суммарная тепловая нагрузка (отопление + ГВС); I - горячее водоснабжение второго микрорайона летом.

Рис. 2. Принципиальная схема станции теплоснабжения:

/ — испаритель; // — компрес­сор; /// — конденсатор; IV — дроссельный вентиль; V—элект­ропривод компрессора; VI—пи­ковая котельная; VII — сетевой насос; V1I1 — тепловая сеть; IX — нагревательный прибор; X — водо-водяные теплообменни­ки горячего водоснабжения; XI — водоразборный кран; XII— тепловой потребитель

Поскольку тепловой насос в оптимальном режиме работы (минимум затрат на электроэнергию) должны работать с остано­вом в часы утреннего и вечернего максимума нагрузки энерго­системы (ТНУ работает в сутки 18-20 ч), то для непрерывного теплоснабжения потребителей района в тепловой схеме ТНС пре­дусмотрены два бака-аккумулятора установленных в на подающем и обратном магистралях тепловой сети.