Спосіб генерування теплової енергії в системі комунального теплопостачання

1. Спосіб генерування теплової енергії в системі комунального теплопостачання, з використанням природного газу як палива, що включає спалювання палива у тепловому двигуні з комбінованим циклом для одержання механічної або C2 2 (11) 1 3 - в когенераційних циклах, спільно з виробництвом електричної енергії [5]. У комунальній і промисловій теплоенергетиці водонагрівальні і парові котли є найпоширенішим засобом виробництва теплової енергії в усіх її видах і, перш за все, у вигляді гарячої води для опалювання і водопостачання. Як паливо у котлах застосовуються вугілля, торф, дрова, відходи сільгоспвиробництва і, головним чином, природний газ, доля використання якого в комунальній енергетиці перевищує 80%. Це обумовлено тим, що, з екологічних міркувань природний газ є безпечнішим паливом, ніж, наприклад, вугілля, що є особливо важливим для великих населених пунктів з високою концентрацією населення і теплогенерируючих об'єктів - котелень централізованого теплопостачання. Крім того, природний газ є технологічнішим і зручнішим у використанні паливом, ніж тверді види палив і тому, у багатьох випадках, він є практично незамінним, особливо у великих опалювальних системах. Теплова ефективність використання природного газу вельми висока - ККД сучасних водонагрівальних котлів перевищує в деяких випадках 92%. Проте, в сучасних економічних умовах, з постійним дорожчанням цього палива, вже і така ефективність його використання є недостатньою а можливості вдосконалення котлоагрегатів вельми обмежені. Теплові насоси (далі - ТН) є вельми ефективним способом генерування теплової енергії і тому, останніми роками, їх вживання для цілей теплопостачання стає все ширше, оскільки це дозволяє замінити природний газ на електроенергію для виробництва теплоти. У термодинамічному плані ТН здійснює цикл, зворотний по відношенню до циклу генерування електроенергії. При реалізації прямого і зворотного циклів в однаковому температурному діапазоні витрати теплоти на виробництво електроенергії в точності рівні теплопродуктивності ТН, що використовує електроенергію вироблювану у прямому циклі (в ідеальному випадку). Це означає, що в реальних умовах по ефективності ТН, як генератор теплової енергії, поступається ефективності котла, що генерує теплову енергію з такими ж параметрами теплоносія. Тобто, теплота, що генерується ТН, буде більш дорогою, чим теплота вироблювана котлом, при однакових початкових витратах палива. Умова ефективного використання електронагрівачів для вироблення теплоти таке ж, як для ТН - наявність дешевої електроенергії, наприклад такої, що відпускається за нічним тарифом. У електронагрівачах для виробництва 1кВт∙г теплової енергії витрачається, в кращому разі, 1кВт∙г електричної. По цьому показнику вони поступаються ТН, за допомогою яких, витративши 1кВт∙г електроенергії, можна отримати 3-4кВт∙г теплової енергії в системах гарячого водопостачання і 2-2,5кВт∙г - в опалювальних системах. Виробництво теплоти в сонячних колекторах вимагає великих капіталовкладень і тому не завжди є економічно виправданим. Крім того, ефективність використання цієї технології залежить від 92683 4 району її застосування, а також, від сезону і часу доби. Тому її доцільно застосовувати в поєднанні з іншими енергозаощаджувальними технологіями. Вельми ефективною є технологія спільного виробництва в єдиному технологічному циклі теплової і електричної енергії (когенерація). Висока ефективність когенераційних технологій досягається за рахунок зведення до мінімуму скидної теплоти циклу (шляхом максимального використання теплоти вихлопних газів енергетичного двигуна для генерування теплоти), внаслідок чого, коефіцієнт корисного використання теплоти палива Ken у деяких випадках перевищує 90%, а питомі витрати палива на виробництво електроенергії наближаються до питомих витрат палива на генерування теплоти у кращих сучасних котлах. Тому, електроенергія що генерується в когенераційних установках (далі - КОУ), в 2,5-3 рази дешевше за електроенергію, що генерується на теплових конденсаційних електростанціях. Проте, створення КОУ на базі котельні комунального теплопостачання, шляхом надбудови котла енергетичним тепловим двигуном (поршневим або газотурбінним), призведе не до економії палива, що використалося в котельні до модернізації, а до його перевитрати за умови збереження незмінної теплової потужності котельні, оскільки, частина палива в КОУ використовується на виробництво електроенергії, хоча і з високою ефективністю. Тому, КОУ, в класичному виконанні, не може служити засобом скорочення об'ємів споживаного котельнею газу. Т.ч. основним недоліком когенерації, так само як і всіх вказаних технологій, що використовують спалювання палива для виробництва теплоти, є неможливість отримати теплоти більше, ніж витрачена теплота палива (включаючи теплоту, витрачену на виробництво електроенергії, що використовується, зокрема, ТН). В основу технологічного вирішення, що заявляється, поставлена задача підвищення ефективності генерування теплової енергії, при одночасному зниженні об'ємів спалюваного палива. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб генерування теплової енергії в системі комунального теплопостачання, з використанням природного газу як паливо, включає спалювання палива у тепловому двигуні з комбінованим циклом для одержання механічної або електричної енергії, теплообмін вихлопних газів теплового двигуна у котлі - утилізаторі для одержання теплоносія для теплових мереж і скидання охолоджених вихлопних газів двигуна в атмосферу. Відповідно до технологічного вирішення, що заявляється, перед скиданням вихлопні гази піддають додатковому теплообміну для одержання теплоносія, який потім подають в контур випарника теплового насоса, куди одночасно подають теплоносій від додаткових зовнішніх джерел теплоти для подальшої трансформації отриманого теплового потоку в теплові мережі. При цьому, привід теплового насоса здійснюють за рахунок всієї електричної або всієї механічної енергії, виробленої тепловим двигуном. Кількість теплової енергії, що відбирається від зовнішніх джерел, визначають із співвідношення: 5 Qзов=(φ-1)∙Nкоу-Qскд, де: Qзов - кількість теплової енергії, що відбирається від зовнішніх джерел, кВт∙г; φ - коефіцієнт трансформації теплового насоса; Nкоу - вся енергія, вироблена тепловим двигуном, кВт∙г; Qскд - кількість скидної теплової енергії котлаутилізатора, кВт∙г. Т.ч., відповідно до способу генерування теплової енергії, що заявляється, частина теплоти виробляється у КОУ, а друга частина - за допомогою ТН. Для забезпечення функціонування ТН (приводу його компресора) використовують енергію, що виробляється двигуном КОУ а як джерело тепла для ТН частково використовують високопотенційну теплоту - всю скидну теплоту КОУ, що викидалася раніше в атмосферу, а частково - низькопотенційну теплоту від додаткових зовнішніх джерел (теплоту навколишнього середовища, або скидну теплоту інших технологій). Згідно способу, що заявляється, ТН, використовуючи всю електричну енергію, вироблену двигуном КОУ, а також скидну теплоту КОУ і додаткову теплоту від зовнішніх джерел, в сумі з тепловою енергією котла-утилізатора, виробляє кількість теплоти, що перевищує теплоту використаного палива. Якщо привід компресора ТН здійснювати безпосередньо від двигуна КОУ (за рахунок використання його механічної енергії) то ефективність пропонованого способу генерування теплоти зросте за рахунок усунення проміжної ланки перетворення енергії: механічної в електричну і потім електричної в механічну. Т.ч., спосіб генерування теплоти, що заявляється, є модифікацією когенераційної технології, відповідно до якої, для зовнішнього використання виробляється не два види енергії - теплова і електрична, а лише один - теплова. При цьому, теплоти може бути вироблено удвічі більше, ніж у еквівалентному опалювальному котлі (при таких самих витратах палива). Отже сукупність ознак технологічного вирішення, що заявляється, є необхідною і достатньою для вирішення поставленої задачі. Схематично, пристрій, що реалізовує спосіб генерування теплової енергії, що заявляється, представлено на кресленні. Пристрій складається з КОУ 1, що включає тепловий двигун 2, електрогенератор 3, котел - утилізатор (КУ) 4. Пристрій також містить ТН 5, теплообмінник 6 і вихлопну трубу 7. Відповідно до способу, що заявляється, паливо (природний газ) спалюють у тепловому двигуні 2. Це може бути газова турбіна або газопоршневой двигун. Вихлопні гази двигуна 2 прямують до КУ 4, що генерує теплоту Qкоу, що передається в тепломережу. У окремому випадку може бути здійснене остаточне спалювання палива в КУ. Скидна теплота КУ - Qскд, через теплообмінник 6, передається в контур випарника ТН. Оскільки температура теплоносія в цьому контурі може бути невисокою - менш ніж 10°С (хладагент ТН вибира 92683 6 ється з низькою температурою кипіння), то у теплообміннику 6 від вихлопних газів відбирається не лише вся фізична теплота, але і теплота паротворення, витрачена при горінніметану. Одночасно, в контур випарника ТН підводять теплоносій від додаткових зовнішніх джерел, що несе або низько потенціальну теплоту навколишнього середовища (повітря, ґрунту, скельних порід, поверхневих вод (водоймищ) або ґрунтових вод (свердловини), або скидну теплоту інших технологій. Кількість теплоти Qзов, що підводиться у випарник ТН від додаткових зовнішніх джерел, визначають із умови, щоб вся підведена теплота Qскд+Qзов була адекватною всій енергії, виробленій двигуном КОУ Nкоу, а саме: Qзов=(φ-1)∙Nкоу-Qскд, де: Qзов - кількість теплової енергії, що відбирається від зовнішніх джерел і передається у випарний контур ТН, кВт∙г; φ - коефіцієнт трансформації теплового насоса; Nкоу - вся енергія (електрична або механічна), вироблена тепловим двигуном, кВт∙г; Qскд - кількість скидної теплової енергії котлаутилізатора КОУ, що передається у контур випарника теплового насоса, кВт∙г. Вироблену теплову енергію Qтн=φ∙Nкоу, тепловий насос передає у тепломережу. Використання скидної теплоти КОУ в ТН, відповідно до способу, що заявляється, спрощує завдання забезпечення його низько потенційною теплотою від додаткових зовнішніх джерел. Так, використання у ТН всієї енергії газової турбіни КОУ потужністю 1МВт, дозволяє генерувати з його допомогою 3МВт теплоти для системи гарячого водопостачання (при коефіцієнті φ=3). Скидна теплота вказаної КОУ складає близько 0,5МВт (включаючи приховану теплоту паротворення). Отже, відповідно до співвідношення, що заявляється, теплова потужність зовнішнього джерела повинна складати: 1,5МВт, тобто майже 75% від кількості теплової енергії, що використовується у традиційній схемі ТН від зовнішніх джерел. (φ-1)∙Nкоу=2МВт Отже, не дивлячись на те, що в термодинамічному значенні скидна теплота КУ є для ТН теплотою «навколишнього середовища», її використання має дві переваги перед іншими низько потенційними джерелами: по-перше, її температурний потенціал набагато вищий, що дозволяє використовувати її з вищим коефіцієнтом трансформації, тобто, ефективніше, а по-друге, технічна реалізація її використання значно простіша, ніж, наприклад, здобуття теплової енергії з ґрунту, що дозволить істотно здешевити будівництво установки. Можлива і інша схема поєднання КОУ з ТН ніж та, що зображена на кресленні. А саме, коли теплоносій від додаткового джерела низкопотенційної теплоти спочатку подається на теплообмінник 6, в якому сприймає скидну теплоту КУ-Qскд, а потім передає іі, в кількості Qскд+Qзов, випарнику теплового насоса. Але у такій схемі температура ви 7 92683 хідних газів після теплообмінника 6 повинна бути більш високою, ніж у заявленій схемі, і тому у ТН буде використано менше скидної теплоти КОУ, тобто, доля теплоти, яку потрібно буде забезпечити від зовнішніх джерел, зросте. Пропонований спосіб, на відміну від відомих, дозволяє генерувати теплоту в об'ємах, що перевищують теплоту використовуваного палива. Так, наприклад, спалювання 1кВт∙г палива у сучасному водонагрівальному котлі дозволяє виробити 0,92кВт∙г теплової енергії. В той же час, використовуючи таку ж кількість палива для генерування теплоти запропонованим способом, можна отримати 0,45-0,6кВт∙г теплоти безпосередньо в КОУ і, додатково, від 0,8кВт∙г (для опалювальних систем) до 1,4кВт∙г теплоти (для систем гарячого водопостачання) - за рахунок механічної або електричної енергії, що виробляється КОУ. Тобто, сумарно, від 1,25 до 2кВт∙г теплоти, або в 1,35-2,2 рази більше, ніж в еквівалентному, відносно палива, котлі. В цілому, така комбінована схема генерування енергії дозволяє забезпечити номінальну теплову Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 8 потужність (тобто, потужність, рівну тепловій потужності еквівалентного котла, що споживає ту саму кількість палива, що і КОУ), а також понад 50-60% електричної енергії, що виробляється КОУ. Або виробити теплоти до 100-120% більше для систем гарячого водопостачання і до 40% більше для опалювальних систем, у порівнянні з еквівалентним котлом, при повному використанні енергії, що генерується двигуном КОУ. Джерела інформації: 1. Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. 2006г. http://03-ts.ru 2. Принцип работы теплового насоса. solarpolua.com.ua/ras/news/9/ 3. Электрокотлы для любых помещений. http://www.topka.ru/catal og/detail.php?ID=1543 4. Солнечные коллекторы - реальные перспективы. http://solar.atmosfera.ua/ru/solnechnyekollektory-realnye-perspektivy/ 5. Патент RU№ 2114316 СІ, МПК6 F02C6/18, опубл. 27.06.1998р. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601