Журнал «Энергорынок»// Абсорбционные тепловые насосы в тепловой схеме ТЭЦ для повышения ее энергетической эффективности.

Автор — Андрей Матейко, главный энергетик ГК «Штарк». Перевод на парогазовую технологию ТЭЦ резко повышает их эффективность. Согласно исследованиям Российской академии наук он более эффективен, чем переход к парогазовым КЭС, и его следует осуществлять в первую очередь. Однако усовершенствование ТЭЦ с помощью газотурбинных высокотемпературных надстроек не исключает реализации на ТЭЦ иных мероприятий, сохраняющих свою актуальность, например, интеграции в состав ТЭЦ тепловых аккумуляторов и других нововведений, как-то перевод турбогенераторов на работу с ухудшенным вакуумом. Последнее вместе с тем связано с необходимостью изменений конструкции паротурбинной установки (встраивание в конденсатор сетевого пучка, модификация последних ступеней турбины). И то, и другое, как и сама работа турбоустановки с ухудшенным вакуумом, не всегда приемлемы по тем или иным причинам. В этих условиях в качестве альтернативного решения переходу на ухудшенный вакуум можно использовать абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы (АБТН). С их помощью обеспечивается более эффективно решение той же задачи — блокирования рассеяния тепловой энергии с циркуляционной водой и при этом не требуется каких-либо изменений конструкции турбоустановки. Выпускаются АБТН в готовой и удобной для использования конструкции, получившей название чиллера. Они допускают одновременное использование и в роли холодильных машин, обеспечивающих отпуск холодной воды по температурному графику 7/12 °С, что необходимо на ТЭЦ при ее переводе на работу с газотурбинной надстройкой для охлаждения воздуха, поступающего в компрессор ГТУ. В результате достигается практически непрерывное использование абсорбционной установки в течение всего года. Интеграция АБТН, например, в тепловую схему турбо-генератора ПТ-60-130 снижает удельный расход условного топлива на выработку 1 КВт/ч электроэнергии на 20 г, что обеспечивает годовую экономию условного топлива до 5,5 тыс. т у.т. и, при этом достигается выполнение требуемых экономических ограничений: простой срок возврата инвестиций, соответствующие значения динамического срока, чистый дисконтированный доход (NPV), внутренняя норма рентабельности (IRR) и пр.

Проблема конденсационного пропуска пара теплофикационных турбогенераторов и ее цена.

Технически минимальный пропуск пара в конденсатор турбогенераторов типов «П», «Т», «ПТ» и связанный с ним перерасход топлива, с наличием которого ранее не возникало вопросов, сегодня неприемлем. Например, для турбогенераторов ПТ-60-130 и их модификаций минимальный пропуск пара в конденсатор ограничен величиной 12 т/ч. Для начальных параметров пара 13 МПа с учетом вклада регенеративных отборов на этом пропуске пара в конденсатор мощность генерации электроэнергии турбогенератора ПТ-60-130 составляет 4,3 МВт. Рассеяние тепловой энергии с циркуляционной водой (ЦВ), отводящей теплоту процесса конденсации 12 т/ч пара при давлении 4 кПа, — 6,3 Гкал/ч. УРТ на выработку 1 КВт/ч электроэнергии на указанном потоке пара оценивается в 0,42 кг/кВт•ч. Решение задачи подавления рассеяния тепловой энергии с циркуляционной водой с помощью перевода турбогенераторов на работу с ухудшенным вакуумом. Давление в конденсаторе турбины при работе на ухудшенном вакууме (УВ) увеличивается до 0,06 МПа, а мощность генерации электроэнергии на рассматриваемом расходе 12 т/ч пара в конденсатор составляет 3,4 МВт. При этом из теплофикационного отбора вытесняется пар в количестве, соответствующем потоку тепловой энергии 6,3 Гкал/ч (7,2 МВт). Удельная выработка Т-отбора рассматриваемого турбогенератора с учетом вклада потоков регенерации составляет ≈516 кВт•ч/Гкал, что позволяет определить снижение мощности генерации электроэнергии до 3,2 МВт на пропуске пара в Т-отбор в связи с переходом к режиму УВ. Как уже отмечалось, переход к ухудшенному вакууму связан с изменением конструкции паротурбинной установки, что не всегда приемлемо по тем или иным причинам; интеграции в тепловую схему абсорбционных тепловых насосов. Устройство непрерывного действия, предназначенное для передачи тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой. Для компенсации подобного неестественного перехода тепловой энергии требуется в качестве привода АБТН затратить тепловую энергию (ТЭ). Абсорбционные установки обратного цикла уступают по энергетическим характеристикам парокомпрессионным машинам, но, если последним для работы требуется энергетически и экономически более ценная механическая энергия, первые могут использовать дешевую тепловую энергию отборов паровых турбин, утилизационных котлов газовых двигателей внутреннего сгорания, вторичных энергоресурсов. Указанное обстоятельство и определяет для АБТН нишу, которую они в ближайшее время займут в различных тепло-технических системах. В роли рабочего тела в АБТН используются растворы (в рассматриваемом случае вода — бромистый литий), в которых концентрация компонентов различна в жидкой и паровой фазах. Концентрация компонентов не может отличаться от величины, соответствующей уравнению равновесия раствора, что делает возможным конденсацию (абсорбцию) холодного пара более горячим жидким раствором, если того требует уравнение равновесия. В простейшем случае АБТН представляет собой сочетание четырех теплообменников, размещенных в одном интегрированном корпусе, эксплуатация которых энергетическому персоналу знакома и не создает проблем. Два теплообменника (генератор и конденсатор) работают при более высоком давлении, и их назначение — получить практически в чистом виде легкокипящую жидкость, в данном случае — воду. Два других теплообменника (испаритель и абсорбер) работают при пониженном давлении, и их задачей является отвод тепловой энергии от источника и превращение полученного пара в компонент жидкого раствора. В ходе описанных превращений от абсорбера и конденсатора отводится теплота соответствующих процессов сорбции и конденсации, которая передается нагреваемому теплоносителю, например сетевой воде. Требуется лишь исключить переход температур хладагента через граничные значения, не допустимые для раствора воды в бромистом литии, как при хранении, так и в процессе эксплуатации, т.е. имеются предельные значения температур потоков теплоотдающего (утилизируемого) и тепловоспринимающего, при которых возможна работа АБТН. Схема реального АБТН несколько сложнее, что связано с регенерацией, повышающей энергетическую эффективность установки, в связи с чем увеличивается число теплообменников и сложность схемы. Из приведенной информации очевидно, что эксплуатация АБТН понятна персоналу ТЭЦ, связанному с обслуживанием теплообменников. Положительным обстоятельством является и то, что раствор бромистого лития с водой используется без замен в течение длительного периода (20 лет) и не создает проблем в отношении экологии. Эффективность АБТН во многом зависит от температурного диапазона, в котором он эксплуатируется: чем уже последний, тем выше энергетические показатели установки. При температуре нагреваемого потока 55 °С, что соответствует температуре обратной сетевой воды в межотопительный период, и подаче циркуляционной воды на охлаждение, например по графику 17/22 °С (давление в конденсаторе 4 кПа), нагрев сетевой воды обеспечивается до 64 °С. В отопительный период, когда температура обратной сетевой воды может достигать 70 °С, температура циркуляционной воды составит 49/45 °С, чему соответствует давление в конденсаторе 15 кПа. Сетевая вода нагревается до 79 °С. При температурах сетевой воды, находящихся внутри указанного диапазона, прочие характеристики потоков можно определить линейной интерполяцией. Для средней температуры отопительного периода –0,7 °С температура обратной сетевой воды равна 47 °С, и требуемое для АБТН давление в конденсаторе составит 4 кПа. Рассматривая ситуацию с изменением параметров потоков в течение года, можно сделать вывод, что в первом приближении установка АБТН обеспечит поддержание давления в конденсаторе в течение всего периода работы на уровне 4 кПа. Давление греющего пара для привода АБТН не должно быть ниже 0,4 МПа,что может быть обеспечено отбором пара из регенеративного отбора № 4 турбины ПТ-60. Отопительный коэффициент АБТН в указанных случаях составляет 1,7.

Сущность способа и оценка энергосберегающего эффекта.

В тепловой схеме турбогенератора существуют несколько тепловых потоков, рассеиваемых в окружающей среде. На примере турбогенератора ПТ-60 таковыми являются: уже упоминавшийся поток охлаждения ЦВ мощностью 7,3 МВт, потоки систем охлаждения генератора и масла суммарной мощностью 0,47 МВт. Перечисленные тепловые потоки, мощность которых составляет 7,8 МВт, направляются в АБТН с циркуляционной водой, в котором она охлаждается на ≈4 °С. Для привода АБТН потребляется теплота процесса конденсации пара, потребность в которой определяется отопительным коэффициентом АБТН, и в данном случае ее величина составляет 40,2 ГДж/ч (9,6 Гкал/ч). Сетевой воде в этом случае передается поток тепловой энергии мощностью 18,9 МВт, нагревая ее на 10,2 °С. В результате рассматриваемого использования АБТН при сохранении тепловой нагрузки ТЭЦ перераспределяется генерация электроэнергии между источниками системы, и в нашем примере наблюдается уменьшение генерации на ТЭЦ на 4,7 МВт/ч УРТ 0,42 кг/кВт•ч, что обусловлено следующим: уменьшается нагрузка на теплофикационный отбор на 15,9 Гкал/ч, в связи с чем снижается мощность генерации на 8,2 МВт (удельная выработка Т-отбора = 516 кВт•ч/Гкал); возрастает нагрузка регенеративного отбора № 4 на 9,6 Гкал/ч, требуемых для привода АТН, что увеличивает мощность генерации на 3,5 МВт (удельная выработка РО № 4 = 362 кВт•ч/Гкал). С учетом указанного уменьшения мощности потока генерации электроэнергии на 4,7 МВт при сохранении отпускаемой тепловой энергии снижение годового расхода топлива ТЭЦ в нашем случае составит до 12 тыс. т у.т.: 4,3 • 0,42 • 7,5 = 13,5 тыс. т у.т. — снижение, связанное с устранением генерации электроэнергии с УРТ 420 г/кВт•ч на пропуске пара в конденсатор; 4,3 • (0,17 — 0,136) • 7,5 = 1,1 тыс. т у.т. — снижение, связанное с передачей генерации электроэнергии от потока теплофикационного отбора с УРТ 170 г/кВт•ч потоку в конденсатор с охлаждением циркуляционной воды в АБТН, что соответствует УРТ 136 г/кВт•ч; 3,2 • (0,17 — 0,283) • 7,5 = –2,7 тыс. т у.т. — увеличение, связанное с передачей генерации как в контейнерном варианте, так и в здании. Во всех случаях требуется, чтобы температура в помещении не опускалась ниже 5 °С. Безусловно, необходим индивидуальный подход исходя из комплекса условий конкретной площадки: компоновочных, гидравлических и пр.

Выводы:

• Блокирование рассеяния энергии в тепловых схемах ТЭЦ актуально. Конструктивно наиболее просто это достигается с помощью интеграции АБТН в тепловую схему ТЭЦ. При этом высокие технико-экономические показатели обеспечивают инвестиционную привлекательность проекта.
• Снижение потерь тепловой энергии в схемах ТЭЦ с помощью перехода к работе турбогенераторов с ухудшенным вакуумом или с использованием АБТН расширяют варианты решения задачи и требуют дифференцированного подхода исходя из условий конкретной зоны теплоснабжения и состава оборудования теплогенерирующего источника.
• Интеграция абсорбционных тепловых насосов в тепловые схемы ТЭЦ востребована и в случае реализации варианта перевода турбогенераторов на работу с ухудшенным вакуумом, поскольку обеспечивается возможность утилизации теплоты систем охлаждения масла, генератора и пр.
• Снижение на ТЭЦ генерации электроэнергии на 4,7 МВт при сохранении тепловой нагрузки и одновременном снижении потребления природного газа непосредственно на ТЭЦ на ≈12 тыс. т у.т. в год определяет экономическую целесообразность в зависимости от тарифа на природный газ и электроэнергию, ставкой рефинансирования в конкретном регионе
• Инвестиции, требуемые для реализации рассматриваемого примера, оцениваются ≈ в 3 млн долл. Окупаемость АБТН отвечает существующим экономическим ограничениям для обеспечения инвестиционной целесообразности.
• Приведенный пример дан для турбогенератора ПТ-60-130 с пропуском пара в конденсатор 12 т/ч и нагрузкой сетевой воды 19 Гкал/ч. В случае потребности увеличения тепловой нагрузки необходимо применить более мощные АБТН.