Диссертация (Исследование и оптимизация теплонасосных установок в структуре схем ПГУ-ТЭЦ), страница 3

Наилучшийдостигнутыйтермический КПД, %:- ТЭС на газе (ПГУ)- ТЭС на твердомтопливе- АЭС2. Среднийэксплуатационныйудельный расход топливана ТЭС, гут/ кВт·ч (% куровню 2005 г.)3. Потери вэлектрических сетях, %4. Потери в тепловыхсетях, %1 этап2010–2015 гг.2 этап2016–2020 гг.3 этап2021–2030 гг.574460536860323436до 315 (94 %)до 300 (90 %)до 270 (81 %)не более 12не более 10не более 8до 12до 10до 814В рамках мероприятий по повышению энергетической эффективностиТЭС, по данным АПБЭ [94], планируется реализовать ряд пилотных проектов,в том числе:1) для ТЭС на природном газе:разработка и освоение отечественных ГТУ мощностью 270–340 МВтдля конденсационных ПГУ мощностью 420–600 МВт на их основе с КПД 60 %;разработка и освоение модульных одновальных ПГУ-ТЭЦ мощностью 65–100–170 МВт и удельной выработкой на тепловом потреблении 1200–1500 кВт·ч/Гкал,коэффициентом использования теплоты топлива (КИТТ) 85–86 %;разработка и освоение тепловых насосов и типовых технических решенийпо использованию возобновляемых источников низкопотенциального теплас коэффициентом преобразования 4–5 в системах теплоснабжения;2) для ТЭС на угольном топливе:энергоблоки мощностью 400 МВт, 660 МВт на суперсверхкритическиепараметры пара для нового строительства и модернизации устаревших угольныхэнергоблоков сверхкритического давления;технологии внутрицикловой газификации угля и ПГУ на синтез-газемощностью 220 МВт, 450 МВт с КПД 50 %;технологии и оборудование сжигания топлива в циркулирующем кипящемслое для энергоблоков мощностью 460 МВт.Особенностью отечественной энергетики является высокая потребностьпотребителей в теплоте.

По данным Системного оператора ЕЭС, установленнаямощность энергетического оборудования по состоянию на 01.01.2015 г. составила216,11 ГВт [99]. В России каждый год производится свыше 2 млрд Гкал тепла, приэтом расходуется более 400 млн т условного топлива или 43 % всех первичныхэнергоресурсов.По данным ИНП РАН [119] производство тепла в России осуществляетсяот теплоисточников различных типов (табл. 1.2). Анализируя структуруисточников годового отпуска тепла видно, что одним из основных способовтеплоснабжения в России является паротурбинная теплофикация от ТЭЦ, годовойотпуск тепла от которых составляет 31,9 %. При этом, суммарное количество ТЭЦ15общего и промышленного назначения на территории РФ насчитываетболее 485 шт.Таблица 1.2 – Производство тепла в России по видам теплоисточников [119]Производство тепла по видамтеплоисточниковСуммарный отпуск тепла«Централизованные источникитеплоснабженияТЭЦ всего,в том числе:- ТЭЦ общего пользования- ТЭЦ производственныеКотельныеПрочие источникиДецентрализованные источникитеплоснабженияКотельныеАвтономные источникимлн.

Гкал%2020100144464471.531.95121327109057622035625.46.535.14.528.510.917.6Согласно данным Федеральной службы по тарифам [5] отпуск теплоты поразличным категориям потребителей за 2013 г. составил 2211771,2 тыс. Гкал.Следует особо отменить большую значимость ТЭЦ в обеспечении тепломи электроэнергией крупных городов.

Например, доля теплоэлектроцентралейв системе ОАО «Мосэнерго» в общем балансе мощностей составляет свыше 43 %теплоты, потребляемой в Московском регионе. В структуру ОАО «Мосэнерго»входят 15 электростанций Москвы и Подмосковья с установленной электрическоймощностью 12,3 тыс. МВт и тепловой мощностью 40,4 тыс. Гкал/ч.

За 2012 г.производство теплоты составило 68353 тыс. Гкал [98].1.2.Предпосылки использования теплонасосных установок на ПГУ-ТЭЦПрименение тепловых насосов на ПГУ-ТЭС является перспективной меройэнергосбережения. На рис. 1.5 приведена типовая зависимость соотношениятепловой и электрической нагрузок территориальной генерирующей компании(ТГК) [37]. Зависимость иллюстрирует соотношение потребления тепловойнагрузкипомесяцам вгоду кпотреблениюэлектрическойэнергии.Из приведенных данных видно, что тепловая нагрузка в течение года значительно16превалирует над электрической, соотношение мощностей за отопительныйпериод изменяется от 1,2 до 3 раз.*Отношение электрической (тепловой) мощности за месяц в году к максимальному значению втечение годаРисунок 1.5 – Типовое соотношение теплоты и электрической энергиикрупной энергосистемы в течение годаCложившуюся закономерность по энергетическим потребностям стоитучитывать при модернизации существующих ТЭЦ по парогазовой технологии.Например, паросиловой блок с турбиной Т-250/300-240 позволяет вырабатывать330 МВт теплоты, а блок ПГУ-400 – 180…280 Гкал/ч.

Основным способомувеличения теплоты является установка дополнительных пиковых котлов дляобеспечения сезонного либо пикового спроса на тепловую энергию, что приводитк снижению экономичности и увеличению расхода топлива. Другим вариантомможетслужитьустановкаболеемощногопарогазовогоэнергоблокас сохранением существующей тепловой нагрузки, однако, в этом случаепотребуетсязначительнобольшекапитальныхзатратиреконструкцияс расширением всего электросетевого хозяйства. Таким образом, требуется выбороптимальных решений для обеспечения потребности в теплоте для ТГК при вводемощностей на базе ПГУ ТЭС.

Необходимо отметить, что установка ТНУ на ПГУТЭЦ не является альтернативой пиковым водогрейным котлам, поскольку ониспособны обеспечивать температурный график потребителя в определенномдиапазоне, обеспечение которого невозможно только от отборов турбины.Согласно проведенным автором диссертации исследованиям (подраздел 3.1.3)17автором диссертации, температура прямой сетевой воды, отпускаемая отконденсатора парокомпрессионной ТНУ не может превышать120 °С.Впрошломповышениеэффективностииспользованиятопливаобеспечивалось в том числе и за счет интенсивного развития теплофикации набазе паротурбинных ТЭЦ, с одновременным повышением рабочих параметровпара, что приводило к последовательному снижению расхода топлива – главнойсоставляющей в себестоимости отпускаемой тепловой и электрической энергии,а, следовательно, и тарифов на данные виды энергетической продукции [45,122].Использование энергосберегающих технологий на основе ТНУ является одним изспособов минимизации топливных издержек [37].Повышениеэффективностииспользованиятопливаимееттакжеэкологический эффект, так как снижаются удельные выбросы загрязняющихвеществ на единицу произведенной электрической мощности.

По мнению рядаавторов,использованиеПГУ-ТЭЦвэнергетикепозволитповыситьэффективность использования топлива в годовом разрезе [59,109]. ИспользованиеПГУ-ТЭЦ с ТНУ ориентировано на увеличение отпуска теплоты для потребителяс низкими топливными издержками и электроэнергии с высоким электрическимКПД [66]. Это позволит снизить себестоимость комбинированного производстватеплоты и электроэнергии.Важным преимуществом парогазовых технологий также является ихзначительноменьшаякапиталоемкостьвсравнениистрадиционнымипаросиловыми установками [50, 47].Другим перспективным назначением ТНУ, помимо задачи обеспеченияграфикадиапазонатепловогопотребителя,энергообъекта.Наявляетсярис.1.6расширениеприведенрегулировочногопримерныйграфикэнергопотребления.

Особенностью комбинированного производства тепловойи электрической энергии является сдвиг пиков их выработки в течение суток.Применение ТНУ также целесообразно для увеличения выработки теплоты отПГУ-ТЭЦ во время ночного провала потребления электрической энергии.При этом может быть использована электроэнергия для привода ТНУ, ценакоторой ниже, чем в пиковые часы.18Рисунок 1.6 – Примерный график энергопотребления [122]Ряд отмеченных перспективных способов применения технологии на ПГУТЭЦ свидетельствует о наличии ряда требований к ТНУ. С целью комплексногоподхода к достижению цели исследования и оптимизации схемных решений ПГУТЭЦ с ТНУ, по мнению автора диссертационной работы, необходиммногофакторный анализ условий применения технологии для снижениятопливных издержек энергообъекта. При решении задачи обеспечения графикатеплового потребителя, требуется использование такой ТНУ в составе ПГУ-ТЭЦ,которая обеспечит необходимую производительность и эффективность.Тепловой насос – это устройство, предназначенное для преобразованиянизкопотенциальной теплоты и ее использования для подогрева вторичноготеплоносителя.

Классификация тепловых насосов приведена на рис. 1.7.Основными типами ТНУ, используемыми в промышленных целях,являются парокомпрессионные и сорбционные ТНУ. Сравнение указанных типовприведено в табл. 1.3 [101]. Для обеспечения значительных объемов отпускатеплоты от ТНУ автором диссертационной работы был выбран тип тепловогонасоса с возможностью получения высокого коэффициента преобразованияи высокой производительности.19Таблица 1.3 – Сравнение парокомпрессионных и абсорбционных ТНУКачествоДостоинстваНедостаткиСорбционныеАбсорбционныеАдсорбционные1.ВысокаяВозможностьПо сравнению сэффективность, самая использовать дляабсорбционнымивысокая средисвоей работы неявляется возможностьсовременныхтолькоих использования втепловых насосов.электричество, но и широком диапазонелюбой источниктемпературы,2.Соотношениетепла достаточнойнечувствительность кподведенной извне итемпературы исиле тяжести.перекачанной энергии мощности,может достигать 1:7.возможностьсозданияконструкций, несодержащихдвижущихсядеталей.1.

НаличиеВесьма низкаяНевысокаякомпрессора,эффективность,эффективность,потербляющеготакже сложностьадсорбционныхэлектроэнергию иконструкциитепловыхнасосов,неизбежносамого агрегата ипериодичностьихсоздающего шум,довольно высокаяработы.Низкаяподверженного износу, коррозионнаятеплопроводность2.Необходимостьнагрузка отпористого материалаиспользованиярабочего тела.замедляетпроцессспециальногонестационарногохладагента инагрева/охлаждения,соблюдениеувеличиваетвремяабсолютнойцикла,уменьшаетгерметичности на всемкоэффициентего рабочем пути.преобразованиятеплового насоса.ПарокомпрессионныеПринцип действия парокомпрессионной ТНУ заключается в следующем:в испарителе ТНУ происходит отвод теплоты от источника низкого потенциала,по замкнутому контуру ТНУ циркулирует хладагент, при прохождении черезиспаритель ТНУ хладагент кипит и испаряется, его пары направляютсяв компрессор, где происходит их сжатие, в конденсаторе хладагент охлаждается,передавая теплоту теплоносителю в конденсаторе ТНУ.20Рисунок 1.7 – Классификация тепловых насосовОхладившись, хладагент переходит в жидкое состояние, направляется надросселирующее устройство, цикл повторяется, пока работает компрессор.В качестве привода может использоваться электродвигатель, газовая турбина,газопоршневой или дизельный двигатели.

На рис. 1.8 приведена принципиальнаясхема парокомпрессионной ТНУ.Рисунок 1.8 – Принципиальная схема парокомпрессионной ТНУ211.3.Современное состояние теплонасосной технологии теплоснабженияПри подготовке обзора развития теплонасосных технологий былрассмотрен ряд источников, начиная с 1980 г.