Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы теплосибмаш. Абсорбционный тепловой насос (варианты) и способ его работы (варианты)

Во время проектирования теплонасосной установки иногда возникает необходимость подобрать тепловой насос для отопительной системы с высокотемпературным графиком, например 60/45 °С. Возможность получения высоких температур позволило бы расширить сферу применения тепловых насосов. Особенно это актуально для , поскольку они подвержены влиянию температурных колебаний окружающего воздуха.

Большинство тепловых насосов способны достичь разницы температуры между низкопотенциальным источником тепла и подачей в систему отопления не более чем на 60 °С. Это означает, что при температуре окружающего воздуха -15 °С максимальная температура подачи не превышает 45 °С, для воздушного теплового насоса. Этого будет уже недостаточно для нагрева горячей воды.

Проблема заключается в том, что температура парообразного хладагента в компрессоре во время сжатия не может превышать 135 °С. В обратном случае масло, добавляемое в контур хладагента, начинает коксоваться. Это может привести к выходу из строя компрессора теплового насоса.

На диаграмме изменения давления и энтальпии (содержания энергии) видно, что максимальная температура в систему отопления не может бать больше 45 °С в случае если воздушный тепловой насос работает при температуре окружающей среды -15 °С.

Для решения этой задачи было принято простое, но в то же время очень эффективное решение. В контуре рабочей жидкости был добавлен дополнительный теплообменник и расширительный клапан (ТРВ).

Часть хладагента (от 10 до 25%), после конденсатора отбирается на дополнительный клапан ТРВ. В клапане рабочая жидкость расширяется и затем подается на дополнительный теплообменник. Данный теплообменник служит испарителем для этого хладагента. После, низкотемпературный пар впрыскивается непосредственно в компрессор. Для этого компрессор высокотемпературного теплового насоса оснащают еще одним входом. Такие компрессоры называют компрессорами с промежуточным впрыском пара «EVI» (intermediate vapour injection). Этот процесс происходит во время второй трети сжатия парообразного хладагента.

Источником тепла в дополнительном теплообменнике является оставшийся хладагент, подаваемый на основной клапан ТРВ. Это так же дает свой положительный эффект. Основной поток хладагента переохлаждается на 8-12 °С и попадает в испаритель с меньшей температурой. Это позволяет поглотить большее количество природного тепла.

Благодаря этим процессам происходит «смещение» температуры показанное на диаграмме. Тем самым есть возможность сжимать пар больше в компрессоре, достигая необходимого показателя давления и не превышая максимальную температуру 135 °С.

Несмотря на применение технологии промежуточного впрыска пара добиться температуры подачи в систему теплоснабжения выше 65 °С не предоставляется возможным в тепловых насосах данной конструкции. Максимальное давление хладагента должно быть таким, чтобы в момент начала конденсации рабочая жидкость не превысила значения температуры большее, чем критическая точка. К примеру, для часто используемого хладагента R410A эта точка равна 67 °С. В противном случае, хладагент перейдет в не стабильное состояние и не сможет «правильно» сконденсироваться.

Кроме повышения максимальной температуры, EVI технология значительно улучшает . На графике ниже показана разница в эффективности теплового насоса оснащенного технологией промежуточного впрыска пара и обычного теплового насоса. Благодаря этому свойству EVI компрессоры так же устанавливаются в тепловых насосах грунт-вода и вода-вода.

Во время проектирования системы теплоснабжения с применением теплового насоса следует отдавать предпочтение низкотемпературным отопительным графикам. Таким требованиям отвечают системы тёплых полов, теплых/холодных стен, фанкойлы и т.д. Однако в случае возникновения необходимости получения более высоких температур следует применять высокотемпературные тепловые насосы с технологией промежуточного впрыска пара EVI.

Назначение АБТН (абсорбционного бромисто — литиевого теплового насоса) – утилизация бросового тепла и его трансформация на более высокий температурный уровень. Для этого тепловому насосу требуется дополнительный источник энергии – не электрический, а тепловой. Выбор модели АБТН определяется температурой бросового тепла, требуемой температурой потребителя тепловой энергии и имеющимся видом дополнительного теплового ресурса.
АБТН первого типа предназначен для утилизации низкотемпературной тепловой энергии (не ниже 30°С). На выходе АБТН формируется температура до 90°С. В составе выходной тепловой энергии АБТН первого типа 40% составляет «бросовая» теплота. А 60% составляет дополнительно потребляемая высокотемпературная тепловая энергия (пар, горячая вода, теплота сжигания топлива). Также возможно использование «бросовой» энергии дымовых (отходящих) газов, отработанного пара, горячей воды, не потребляемой в теплый период года.
АБТН первого типа может заменить собой градирни системы оборотного водоснабжения, и это одна из самых перспективных областей их применения. Однако температура воды, нагретой АБТН первого типа, не превышает 90°С.
АБТН второго типа могут нагреть воду до высоких температур, могут вырабатывать также и пар, и не требуют использования дополнительного источника тепловой энергии. Однако лишь 40% утилизированной энергии трансформируется на высокотемпературный уровень, а 60 % утилизируемой энергии сбрасывается в градирню.

Плюсы АБТН

Количество бросовой теплоты в составе выработанной тепловой энергии более 40%.
Эффективность использования топлива при применении АБТН первого типа увеличивается на десятки процентов.
Абсорбционные тепловые насосы второго типа утилизируют бросовую теплоту от среднетемпературного источника (60~130 ℃) и вырабатывают высокопотенциальную тепловую энергию (90~165 ℃), не потребляя дополнительный тепловой ресурс.

Преимущества АБТН Shuangliang Eco-Energy

Shuangliang Eco-Energy – крупнейший в мире производитель АБХМ и АБТН. Высокое доверие к продукции завода Shuangliang Eco-Energy определяется длительным (с 1982 года) и успешным (каждый год с конвейера Shuangliang Eco- Energy сходит до 3500 единиц продукции) опытом крупносерийного производства.
На базе Shuangliang Eco-Energy работают единственная в мире специализированная международная докторантура, научно-исследовательский и технологический центр абсорбционных технологий. Shuangliang Eco-Energy разработала китайские национальные стандарты производства АБХМ (аналог ГОСТ), которые строже, чем японские, европейские и североамериканские.
Основными потребителями АБТН является тепло-, электрогенерирующие компании и энергоемкие технологические производства (нефте- и газо-переработка, нефтехимия, производство минеральных удобрений, металлургия и т.п.). Поэтому абсорбционные тепловые насосы, как правило, имеют существенно большую установленную мощность , чем абсорбционные холодильные машины. Если единичная мощность серийных образцов АБХМ ограничиваются полутора десятками МВт, то единичная мощность серийно выпускаемых АБТН производства Shuangliang Eco-Energy достигает 100 МВт.
Технологические достижения и уникальные конструкторские решения Shuangliang Eco-Energy позволяют предлагать компактное (сравнительно с другими производителями), надежное и эффективное оборудование. На базе Shuangliang Eco-Energy работают единственная в мире специализированная международная докторантура, научно-исследовательский и технологический центр абсорбционных технологий, что позволяет находить наилучшие и самые современные технические решения. Опыт производства крупных АБТН и отлаженные алгоритмы оптимизации режимов их использования дают тепловым насосам Shuangliang Eco-Energy особые преимущества.
Итоговая оценка качества АБХМ и АБТН формируется тремя показателями: продолжительность эксплуатации, надежность и эффективность (СОР). И по этим критериям продукция Shuangliang имеет наивысшие оценки.

Наилучшие технологические решения Shuangliang Eco-Energy

1. Коррозионная стойкость материала теплообменных труб генератора абсорбционных бромисто-литиевых машин
Трубы генератора абсорбционного теплового насоса (АБТН) – наиболее уязвимый элемент конструкции, так как раствор бромистого лития является агрессивной средой, особенно при довольно высоких температурах (до 170°С), характерных для эксплуатации паровых, газовых АБТН и АБТН на выхлопных газах. Коррозионная стойкость труб генератора определяет продолжительность безаварийной работы чиллера.
Большинство ведущих производителей АБТН в конструкции генератора с водяным и паровым подогревом используют SS316L (аустенитную нержавеющую сталь). Исключением является лишь один завод, который предпочитает применять ферритную нержавеющую сталь SS430Ti.
Наиболее частой причиной выхода из строя АБТН является питтинговая коррозия труб генератора, интенсивность которой снижается легирующими добавками хрома, никеля и молибдена. Особенно важным является наличие молибдена.
Согласно данным исследования, проведённого финской компанией Outukumpu, одним из крупнейших производителей стали в мире, нержавеющая сталь SS316L имеет высокую коррозийную стойкость по сравнению с другими марками стали, что особенно важно при работе в среде бромистого лития. Устойчивость к питтинговой коррозии стали SS316L в 1,45…1,55 выше, чем у стали SS430Ti.
2. Кожухотрубные теплообменники раствора бромистого лития обеспечивают эксплуатационную безопасность
Некоторые производители абсорбционных холодильных машин используют пластинчатые теплообменники раствора из-за их более низкой стоимости, тогда как в абсорбционных чиллерах Shuangliang используются кожухотрубные теплообменники раствора. Недостатком пластинчатых теплообменников является сложность раскристаллизации рабочего раствора.
Эффективность теплопередачи в пластинчатых теплообменниках выше, поэтому при некоторых условиях может происходить резкое снижение температуры раствора бромистого лития, что может привести к кристаллизации раствора.
Существующие автоматические системы защиты от кристаллизации обеспечивают надежное срабатывание. Однако практика показывает необходимость дополнительных мер защиты от возникновения кристаллизации в нештатных режимах эксплуатации, возникающих, как правило, при отсутствии должного сервиса: нарушение вакуума АБТН, резкое снижение температуры охлаждающей воды ниже допустимого значения, выход из строя регулирующего клапана подачи пара, повреждение насоса раствора и пр.
Вероятность блокирования проходов кристаллизованным раствором значительно выше у пластинчатых теплообменников чем у кожухотрубных, из-за малых размеров каналов.
Для вывода теплообменника из состояния кристаллизации необходимо прогреть ту часть, где она произошла. Определить эту часть в пластинчатом теплообменнике очень тяжело, а зачастую просто невозможно. Поэтому для восстановления работоспособности чиллера необходимо нагреть теплообменник полностью, что требует много времени, особенно при больших размерах АБТН.
Кожухотрубные теплообменники лишены вышеуказанных проблем, прогрев осуществляется по месту кристаллизации, восстановление работоспособности занимает не много времени.
Еще одним фактором, усложняющим раскристаллизацию пластинчатого теплообменника, является более высокое гидравлическое сопротивление, вследствие меньших размеров каналов.
3. Эксплуатационная надежность конструкции трубных пучков теплообменника генератора высокого давления абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов с прямым сжиганием топлива
АБТН с непосредственным сжиганием топлива предъявляет самые высокие требования к конструктивному исполнению высокотемпературного генератора. Ведущими производителями используется две основных системы: жаротрубная и водотрубная. В жаротрубных системах греющая среда (топочные газы) омывает поверхности нагрева (топочное пространство трубы – т.н. «жаровую трубу») с внутренней стороны, тогда как в водотрубных системах греющая среда омывает поверхности нагрева с наружной стороны, а нагреваемая среда находится внутри трубы.
Рис. 1: Водотрубная схема

Рис. 2: Жаротрубная схема

Недостатки жаротрубной системы высокотемпературного генератора в сравнении с водотрубной:

Большие габариты (в т. ч. более длинные трубки теплообменника) из-за менее эффективного тепло-массо-обмена.
Длинные трубки теплообменника генератора становятся причиной температурных деформаций, что вызывает разрушение конструкции.
Повышенная взрывоопасность.
Ограниченное общее количество пусков, связанное с температурными деформациями.

Преимущества водотрубных систем в сравнении с жаротрубными

Высокая эксплуатационная надежность.
Высокая эффективность тепло-массо-обмена, следовательно, меньшие габариты генератора.
Меньшие температурные деформации – следовательно, большая продолжительность безаварийной эксплуатации.
Меньшая инерционность при пуске и остановке.
Меньшая взрывоопасность.

Подробности Статьи 10 Январь 2013

Аннотация

На примере ОЭС Беларуси рассматривается возможность использования бромисто-литиевых абсорбционных тепловых насосов для блокирования рассеяния тепловой энергии с циркуляционной водой и водой охлаждения генератора и масла системы смазки. PDF

Annotation

The possibility of usage of Absorption Heat Pump worked on LiBr solution to avoid the lube oil, generator radiation and circulating water heat dissipation is considered in this article by the example of the United Energy System of Belarus.

Абсорбционные тепловые насосы в тепловой схеме ТЭЦ для повышения её энергетической эффективности

В. Н. Романюк , докт. техн. наук , Д. Б. Муслина , А. А. Бобич , магистры техн. наук , Н. А. Коломыцкая , магистр экон. наук , Т. В. Бубырь, студент, Белорусский национальный технический университет, РУП «БЕЛТЭИ», С. В. Мальков, директор ЗАО «Сервис тепло и хладооборудования»

Введение

Перевод на парогазовую технологию ТЭЦ согласно исследованиям Российской академии наук более эффективен, чем переход к парогазовым конденсационным электростанциям (КЭС) , и его следует осуществлять в первую очередь. Однако усовершенствование ТЭЦ с помощью газотурбинных (ГТУ) высокотемпературных надстроек требует больших капвложений, при это привлечение инвестора для КЭС в условиях Беларуси оказалось менее сложной задачей, что и определило отставание модернизации ТЭЦ от перехода к парогазовым КЭС.

Сегодня в ОЭС Беларуси вводятся парогазовые конденсационные блоки с удельным расходом топлива (УРТ) на выработку электроэнергии на уровне 220 г/(кВт×ч), что сопоставимо с его величиной у паротурбинных ТЭЦ республики. Указанное обстоятельство вместе с изменением ситуации на рынке энергоресурсов обострило проблему повышения эффективности паротурбинных ТЭЦ и определило необходимость повышения их эффективности с помощью менее затратных проектов. К соответствующим решениям, что вполне понятно, предъявляется требование по сохранению их актуальности при последующем переводе ТЭЦ на парогазовую технологию. К таким решениям можно отнести и интеграцию в состав ТЭЦ тепловых аккумуляторов , а также иные нововведения, например перевод турбогенераторов на работу с ухудшенным вакуумом. Вместе с тем последнее 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 альтернативным решением переходу на ухудшённый вакуум может быть применение абсорбционных бромистолитиевых тепловых насосов (АБТН). С их помощью обеспечивается более эффективно решение той же задачи блокирования рассеяния тепловой энергии с циркуляционной водой, при этом не требуется каких-либо изменений конструкции турбоустановки.

Указанные АБТН выпускаются в готовой удобной для монтажа и эксплуатации 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, например, на ТЭЦ при её 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, к примеру, в тепловую схему турбогенератора ПТ-60 обеспечивает годовую системную экономию природного газа более 5,5 тыс. т у.т., и при этом достигается выполнение требуемых экономических ограничений: простой срок возврата инвестиций в течение до 2 лет с момента ввода в эксплуатацию, соответствующие значения динамического срока возврата инвестиций, внутренней ставки доходности и др.

Проблема конденсационного пропуска пара теплофикационных турбогенераторов

Технически минимальный пропуск пара в конденсатор турбогенераторов типов «П», «Т», «ПТ» и связанный с ним перерасход топлива, который ранее не вызывал вопросов, сегодня неприемлем. Например, для уже упоминавшихся наиболее распространённых турбогенераторов ПТ-60 и их модификаций минимальный пропуск пара в конденсатор ограничен величиной 12 т/ч. Для начальных параметров пара 13 МПа с учётом 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 электроэнергии на указанном потоке пара оценивается величиной 0,42 кг/(кВт×ч), что на »0,2 кг больше вытесняемой генерации электроэнергии на парогазовых конденсационных блоках. С учётом 5 % потерь электроэнергии на доставку её к промышленным нагрузкам ТЭЦ этот показатель для КЭС равен 0,24 кг/кВт×ч. При годовой наработке турбогенератора 7,5 тыс. часов пережог топлива составляет »6 тыс. т у.т., в валюте - более 1,5 млн. USD. В связи с общим количеством ТЭЦ в стране (36 единиц) становится очевидной актуальность задачи по устранению такого нерационального использования топлива. В приведённых расчётах в качестве замыкающей ТЭС принимается парогазовый блок с абсолютным электрическим КПД 54 %. Выбор обусловлен тем, что (с учётом структуры потребления в стране тепловой и электрической энергии, а также изменений в структуре генерации указанных энергопотоков после внедрения на паротурбинных ТЭЦ высокотемпературных надстроек) с вводом АЭС в составе генерирующих мощностей ОЭС Беларуси не остаётся нагрузки для паротурбинных КЭС, используемых сегодня в качестве замыкающих мощностей .

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 ухудшённом 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 учётом 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. Таким образом, при переходе к ухудшённому вакууму в конденсаторе ПТ-60 в связи со снижением мощности генерации ТЭЦ передаётся на КЭС до 4,3 – (3,4 – 3,2) = 4,1 МВт. Соответствующая часовая системная экономия топлива оценивается величиной 0,79 т у. т./ч и состоит из следующих слагаемых в сравнении со штатным режимом, имеющих место в связи с:

Вытеснением генерации на потоке пара в конденсатор и передачей её на КЭС ПГУ: 4,3 (0,42 – 0,24) = 0,77 т/ч;

Вытеснением генерации на потоке пара в Т-отбор и передачей её на КЭС ПГУ: 3,2 (0,17 – 0,24) = –0,22 т/ч;

Генерацией в режиме УВ на потоке пара в конденсатор с УРТ равным 164 г/(кВт·ч), которая оценивается в 3,4 · (0,24 - 0,164) = 0,25 т/ч.

Очевидно, что при переводе турбогенератора на работу с ухудшенным вакуумом годовое число часов его работы, определяющее в том числе системную экономию топлива, зависит от конкретных условий зоны теплоснабжения и состава ТЭЦ. В том случае, когда оно будет равно ранее указанным 7,5 тыс. часов, системная годовая экономия топлива составит 5,9 тыс. т у.т.

Абсорбционный тепловой насос

Абсорбционный тепловой насос - 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 на привод 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, то первые могут использовать дешёвую тепловую энергию отборов паровых турбин, утилизационных котлов энергии выхлопных газов газовых двигателей внутреннего сгорания, вторичных энергоресурсов. Это обстоятельство и определяет для АБТН нишу, которую они в ближайшее время займут в различных технологических системах.

В роли рабочего тела в АБТН используются растворы (в рассматриваемом случае вода - бромистый литий), в которых концентрация компонентов различна для жидкой и паровой фаз. Концентрация компонентов не может отличаться от величины, соответствующей уравнению равновесия раствора, что делает возможным конденсацию (абсорбцию) холодного пара более горячим жидким раствором до выравнивания концентраций в соответствии с указанным уравнением.

В простейшем случае АБТН представляет собой сочетание четырёх теплообменников, размещённых в одном интегрированном корпусе. Их эксплуатация энергетическому персоналу знакома и не создаёт проблем (рис. 1). 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. 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 передаётся 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. Иначе говоря, 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, из-за чего несколько увеличивается число теплообменников и сложность схемы.

Эффективность АБТН во многом зависит от температурного диапазона, в котором он эксплуатируется: чем ýже последний, тем выше энергетические показатели установки. Кроме этого, имеются предельные значения температур потоков теплоотдающего (утилизируемого) и тепловоспринимающего, при которых возможна работа АБТН.

При температуре нагреваемого потока 55 °С, что соответствует температуре обратной сетевой воды в межотопительный период, подача циркуляционной воды на утилизацию осуществляется по графику 17/22 °С (давление в конденсаторе - 4 кПа). Нагрев сетевой воды в этом случае обеспечивается до температуры 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 в указанном диапазоне, 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 величину 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 (рис. 2). Для привода АБТН потребляется теплота процесса конденсации пара, потребность в которой определяется отопительным коэффициентом АБТН, и в этом случае величина тепловой нагрузки, определяющей потребление пара, составляет 40,2 ГДж/ч (9,6 Гкал/ч). Сетевой воде передаётся поток тепловой энергии мощностью 18,9 МВт, нагревая её на 10,2 °С.

В результате рассматриваемого использования АБТН при сохранении тепловой нагрузки ТЭЦ перераспределяется генерация электроэнергии между источниками системы, и в нашем примере имеет место уменьшение генерации на ТЭЦ на 4,7 МВт с УРТ 0,42кг/(кВт×ч), что обусловлено следующим:

уменьшается нагрузка на теплофикационный отбор на величину 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 величину 9,6 Гкал/ч, требуемую для привода АБТН, что увеличивает мощность генерации на 3,5 МВт (удельная выработка регенеративного отбора № 4 - 362 кВт×ч/Гкал).

С учётом 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 11,9 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 электроэнергии от потока теплофикационного отбора с УРТ 170 г/(кВт×ч) потоку в регенеративный отбор № 4 с УРТ 283 г/(кВт×ч).

Вместе с тем годовая системная экономия топлива в нашем случае составит до 5,5 тыс. т у.т.

Приведённые результаты дополняются поясняющими схемами разных режимов работы рассматриваемого турбогенератора на рис. 3–5.

Абсорбционные тепловые насосы в схеме ТЭЦ

Для сопряжения АБТН с турбогенератором ПТ-60 можно использовать как два чиллера меньшего, так и один большего типоразмера. Более гибким представляется вариант с двумя АБТН. Для их привода могут использоваться различные теплоносители: пар, вода, дымовые газы, топливо. В данном случае это пар давлением не менее 0,4 МПа. В варианте с двумя установками, кроме всего прочего, обеспечивается единообразие абсорбционного оборудования ТЭЦ: тепловые насосы и холодильные машины оказываются взаимозаменяемы, что может быть полезным при надстройке ТЭЦ газотурбинными установками, когда потребуется стабилизировать их параметры в летний период, охлаждая всасываемый компрессором воздух . Расположение АБТН возможно как в контейнерном варианте, так и в здании. Во всех случаях необходимо, чтобы температура в помещении не опускалась ниже 5 °С. Безусловно, требуется индивидуальный подход исходя из комплекса условий конкретной площадки: компоновочных, гидравлических и пр.

Экономическая оценка

С учётом стоимости строительно-монтажных работ и вспомогательного оборудования для реализации рассматриваемого в примере варианта требуется порядка 3 млн. USD. Для ТЭЦ при годовом числе часов работы турбогенератора 7,5 тыс. срок возврата инвестиций и прочие показатели определяются снижением потребления природного газа на 11,9 тыс. т у.т. при неизменной тепловой нагрузке и снижении мощности генерации электроэнергии на 4,7 МВт. Средневзвешенный тариф и себестоимость электроэнергии на ТЭЦ соответственно равны 88,5 и 51,4 USD/(МВт×ч). При стоимости природного газа 244 USD за 1 т у.т. годовой экономический эффект обеспечивает простой срок возврата инвестиций - 2,3 года. Динамический срок окупаемости при ставке дисконтирования 20 % составляет 2,8 года, внутренняя норма рентабельности - 42 % (рис. 7).

Динамический срок окупаемости при ставке дисконтирования 20 % выходит за горизонт расчёта 10 лет и лишь при ставке дисконтирования 15 % уменьшается до 9,6 лет.

Системная годовая экономия топлива в результате реализации проекта оценивается в 5,5 тыс. т у.т. При этом, естественно, неизменно потребление тепловой и электрической энергии. Экономический годовой эффект от системного снижения потребления природного газа оценивается в »1,3 млн. USD. При приведённых ранее прочих значениях аргументов простой срок окупаемости составляет 2,7 года, динамический срок окупаемости при ставке дисконтирования 20 % - 4,3 года, внутренняя норма рентабельности - 35 % (рис. 9).

Приведённые энергетические и экономические показатели указывают на отличную инвестиционную привлекательность проекта для ОЭС страны.

Выводы

1. Блокирование рассеяния энергии в тепловых схемах ТЭЦ актуально. Конструктивно наиболее просто это достигается с помощью интеграции АБТН в тепловую схему ТЭЦ. При этом имеют место высокие технико-экономические показатели, обеспечивающие инвестиционную привлекательность проекта.

2. Снижение потерь тепловой энергии в схемах ТЭЦ с помощью перехода к работе турбогенераторов с ухудшенным вакуумом или с использованием АБТН расширяют варианты решения задачи. Выбор оптимального решения требует дифференцированного подхода исходя из условий конкретной зоны теплоснабжения и состава оборудования теплогенерирующего источника.

3. Использование АБТН в схемах ТЭЦ снижает генерацию электроэнергии на ТЭЦ за счёт исключения ее выработки на потоке пара в конденсатор, что, кроме всего прочего, облегчает покрытие графика электропотребления в части прохождения минимумов нагрузок ОЭС. Интегральное изменение генерации для всех ТЭЦ страны оценивается до 300 МВт.

4. Интеграция абсорбционных тепловых насосов в тепловые схемы ТЭЦ с целью блокирования рассеяния тепловой энергии востребована и в том случае, если реализован вариант перевода турбогенераторов на работу с ухудшенным вакуумом, поскольку с помощью АБТН обеспечивается возможность утилизации теплоты систем охлаждения масла, генератора и пр.

5. 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 определяют экономическую целесообразность в зависимости от тарифов на природный газ и электроэнергию, ставки рефинансирования и т. п. в конкретном регионе. Во всех случаях обеспечиваются высокие энергетические и экономические показатели проекта.

6. Инвестиции, требуемые для реализации рассматриваемого примера, оцениваются величиной порядка 3 млн. USD. Окупаемость АБТН отвечает существующим экономическим ограничениям для обеспечения инвестиционной целесообразности.

7. Рассмотренный пример приведён для турбогенератора ПТ-60-130 с пропуском пара в конденсатор 12 т/ч и нагрузкой сетевой воды 19 Гкал/ч, которая при необходимости может быть уменьшена до 14 Гкал/ч. При увеличении тепловой нагрузки необходимо применить более мощные АБТН.

8. Использование АБТН целесообразно в теплотехнических системах, где имеются прежде всего тепловые потоки от установок комбинированной выработки энергии, вторичные энергоресурсы и пр.

Литература

1. Попырин Л. С., Дильман М. Д. Эффективность технического перевооружения ТЭЦ на базе парогазовых установок // Теплоэнергетика. - 2006. - № 2. - С. 34–39.

2. Романюк В. Н., Бобич А. А., Коломыцкая Н. А., Муслина Д. Б., Романюк А. В. Эффективное обеспечение графика нагрузок энергосистемы // Энергия и Менеджмент. - 2012. - № 1. - С. 13–20.

3. Хрусталёв Б. М., Романюк В. Н., Ковалёв Я. Н., Коломыцкая Н. А. К вопросу обеспечения графиков электрической нагрузки энергосистемы с привлечением потенциала энерготехнологических источников промышленных предприятий // Энергетика и Менеджмент. - 2010. - № 1. - С. 4–11.

4. Романюк В. Н., Бобич А. А., Коломыцкая Н. А. и др. Повышение эффективности ГТУ на ТЭС в летний период // Энергия и Менеджмент. - 2011. - № 1. - С. 18–22.

АБТН являются высокоэффективным энергосберегающим оборудованием для теплоснабжения различных объектов и предназначены для нагрева воды до 50 - 90 о С, с использованием в качестве источника энергии теплоты греющего пара с давлением до 0,75 МПа или топлива - природного газа, а также низкопотенциальной сбросной или природной теплоты от различных источников с температурой 20-40 о С. Доля дешевой низкопотенциальной теплоты, используемой в АБТН для выработки полезной теплоты составляет около 40 %. АБТН имеют исключительные потребительские свойства: высокую эффективность, экологическую чистоту, низкий уровень шума при работе, простоту в обслуживании, длительный срок службы, полную автоматизацию. Для АБТН не требуется больших количеств электроэнергии, как для парокомпрессорных тепловых насосов. Рабочим веществом (хладагентом) в АБТН является вода, абсорбентом - водный раствор соли бромистого лития.

АБТН могут использоваться для получения горячей воды на нужды отопления и горячего водоснабжения, для нагрева и охлаждения технологических сред в промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и т.д.

Устройство и принцип действия

В состав АБТН входят тепломассообменные аппараты различного назначения, соединенные контурами для циркуляции хладоагента и абсорбента. Теплообменные поверхности аппаратов выполнены в виде горизонтальных пучков из тонкостенных медноникелевых теплообменных труб. Все оборудование машин скомпановано в единый агрегат на опорной раме, поставляемый заказчику в сборе в полной заводской готовности. Принцип действия АБТН основан на способности раствора абсорбента поглощать водяные пары, имеющие более низкую температуру чем раствор. Хладагент - вода кипит под вакуумом на трубном пучке испарителя, за счет теплоты, отводимой от циркулирующей в трубках охлаждаемой среды (источника низкопотенциальной теплоты). Водяные пары поглощаются раствором абсорбента на трубном пучке абсорбера с выделением теплоты, которая отводится циркулирующей в трубках нагреваемой водой. Разбавленный раствор из абсорбера откачивается в генератор, где на трубном пучке осуществляется регенерация (выпаривание) поглощенных в абсорбере водяных паров, за счет теплоты греющего теплоносителя. Сконденсированные нагреваемой водой в конденсаторе водяные пары хладоагента возвращаются в испаритель, а концентрированный раствор - в абсорбер.

Отличительной особенностью российских АБТН нового поколения являются:

низкая удельная металлоемкость;

высокая компактность;

длительный срок службы;

полная заводская готовность.

Новые высокоэффективные ингибиторы коррозии обеспечивают практически 100%-ную защиту от коррозии всех элементов конструкции.

Номинальные параметры и характеристики

Тепловые насосы	Тепловая мощность /утилизируемая теплота, кВТ	Расход тепла: Пара, кг/ч; Природного газа, м 3 /ч	Расход воды,м 3 /ч: нагреваемой/ охлаждаемой	Расход электроэнергии, кВт	Габариты: дл.,шир., выс, м	Масса сухая, т
Тепловые насосы с паровым обогревом
АБТН-600П	1725/660	1540	45/115	4,5	5,1-1,55-2,9	8
АБТН-1000П	3300/1260	2900	87/217	8	6,5-2,0-3,0	12
АБТН-1500П	5000/1860	4300	128/320	12	7,5-2,3-3,2	18
АБТН-3000П	8300/3200	7400	225/550	14	7,5-2,8-3,75	29
АБТН-4000П	11000/4260	9900	300/610	16	9,5-2,8-3,75	37
Тепловые насосы с газовым обогревом
АБТН-600Т	1745/660	140	50/115	7,2	4,86-2,72-2,9	11
АБТН-1000Т	3300/1260	200	87/217	11	6,5-2,7-2,9	13
АБТН-1500Т	5000/1860	295	126/320	17,5	7,5-3,2-3,0	20
АБТН-3000Т	8300/3200	510	300/610	23,5	7,5-3,8-3,3	21

Номинальные параметры теплоносителей:

Температуры, вход/выход: охлаждаемая вода - 30/25 о С;

нагреваемая вода - 40/70 о С;

Давление греющего пара - 0,5 МПа абс;

Теплотворная способность природного газа - 35,8 МДж/нм 3 .

Скачать краткую информацию по АБТН. Листовка (1,3 Мб), pdf.

Схемы использования АБТН

Выработка тепла и холода

Работа тепловых насосов основана на способности концентрированного водного раствора бромистого лития абсорбировать (поглощать) водяной пар с выделением теплоты. Температура абсорбции выше температуры конденсации пара при том же давлении. В результате, появляется возможность "отобрать" теплоту у низкотемпературного теплового источника и передать её нагреваемой воде с более высоким температурным уровнем. Все процессы в машине протекают под вакуумом, в замкнутом цикле. Для регенерации раствора бромистого лития и требуется источник высокопотенциальной тепловой энергии. В качестве источника тепловой энергии применяются: водяной пар (АБТН - П), теплота сгорания топлива (АБТН - Т) . Теплота, необходимая для регенерации раствора бромистого лития, также передается нагреваемой воде. При этом удельный расход высокопотенциального тепла в тепловом насосе по сравнению с обычным котлом снижается в 1,7 раза.

Для примера приводятся схемы теплового баланса тепловых насосов и водогрейного котла на топливе.

В тепловых насосах конструкции "ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ" используются высококачественные комплектующие, конструкционные материалы и специальные ингибиторы коррозии, обеспечивающие срок службы не менее 20 лет. Машины по качеству и основным параметрам соответствуют мировому уровню.

ООО "ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ" предлагает абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы с паровым и огневым обогревом нового поколения собственной конструкции Производятся на отечественных предприятиях По качеству и основным параметрам соответствуют мировому уровню.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ КОНСТРУКЦИИ "ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ" ЭТО:

высокая эффективность, исключительная компактность, экологическая чистота,
бесшумность при работе, простота в обслуживании;
применение высококачественных конструкционных материалов теплообменных поверхностей (медноникелевые сплавы);
высокая вакуумная плотность, высокоэффективные ингибиторы коррозии, срок службы машин не менее 20 лет;
полная автоматизация, обеспечивающая экономичный режим работы машин в диапазоне 30-100 % мощности;
компоновка машины в единый агрегат на опорной раме, поставка заказчику в сборе в полной заводской готовности;
отсутствие динамических нагрузок, монтаж на площадке, рассчитанной только на статическую нагрузку от веса машины.

Представляется весь комплекс инженерных услуг при проектировании холодильных станций, проведении монтажных, пуско-наладочных работ, подготовке обслуживающего персонала, гарантийное обслуживание поставляемого оборудования.

Абсорбционные системы используют способность жидкости и солей поглощать пары рабочей жидкости. Наиболее распространенными источниками рабочего пара для абсорбционных систем являются:

Вода - рабочая жидкость и литий бромид - абсорбент;

Аммиак - рабочая жидкость и вода - абсорбент.

Схема абсорбционного теплового насоса на рис.3.6.

Газообразный рабочий агент, покидая испаритель, поглощается растворителем в абсорбере, в результате чего выделяется теплота абсорбции. Образовавшийся раствор, обогащенный рабочим агентом, подается в генератор при помощи насоса, обеспечивающего повышение давления. В генераторе происходит выпаривание рабочего агента из раствора за счет внешнего источника тепла (например, горелки на природном газе или сжиженном нефтяном газе, или за счет тепла, отходящего от другого процесса). Сочетание абсорбера и генератора действует как тепловой компрессор, обеспечивающий повышение температуры и давления. Покидая генератор под высоким давлением, рабочий агент поступает в конденсатор, где конденсируется, отдавая высокопотенциальное тепло.

Энергопотребление насоса, перекачивающего растворитель в абсорбционном тепловом насосе, существенно ниже, чем энергопотребление насоса в компрессионном тепловом насосе (энергозатраты на перекачивание жидкости ниже, чем на сжатие и перекачивание газа).

Рис. 3.6. Схема абсорбционного теплового насоса

Q с - тепло подаваемое потребителю, Q н - высокопотенциальное

тепло, Q н - низкопотенциальное тепло, Q А - тепло

подаваемое потребителю (тепло абсорбции)

При использовании рабочих веществ пара, где растворитель имеет лишь незначительное парциальное давление пара по сравнению с хладагентом, в процессе выпаривания выделяется пар хладагента высокой частоты. Однако рабочая пара веществ аммиак-вода не относится к этому случаю, поскольку вместе с паром аммиака выделяется водяной пар и поэтому требуется дополнительное подключение ректификационного устройства.

Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса представлена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса:

1-генератор высокого давления ГВД; 2- генератор низкого давления ГНД; 3-конденсатор; 4-испаритель; 5-абсорбер; 6-низкотемпературный теплообменник; 7-высокотемпературный теплообменник; 8- теплообменник конденсированной воды; 9-насос раствора; 10-насос холодильного агента

Эффективностью абсорбционного насоса является коэффициент преобразования или условный тепловой КПД, рассчитываемый как отношение количества тепла, получаемого потребителем, к затрачиваемой энергии топлива. Если в качестве источника энергии для генератора используется отходящее тепло, то соответствующая величина рассчитывается как отношение количества тепла, получаемого потребителем, к затратам отходящего тепла. Условный тепловой КПД современных абсорбционных тепловых насосов достигает величины 1,5. Отношение производимой насосом тепловой мощности и мощности абсорбера (за счет теплоты абсорбции), как правило, составляет около 1,6. Современные системы с рабочей смесью «вода - бромид лития» обеспечивают на выходе насоса температуру 100 0 C и повышение температуры на 65 0 C. Новое поколение систем будет обеспечивать более высокие температуры на выходе до 260 0 C и большее повышение температуры.

В зависимости от способа обогрева генератора различают аппараты с обогревом паром (водяной пар), горячей жидкостью (горячая вода) и горячим воздухом (отработавшие и горючие газы).

Возникновение более высоких температур при непосредственном сгорании горючих газов связано с большими потерями эксергии, поэтому абсорбционные холодильные и теплонасосные установки этого типа применяют лишь в редких случаях.

Абсорбционные тепловые насосы направляют тепловую энергию из среды с низкой температурой в среду с средней температурой с помощью высокопотенциальной энергии. К примеру для перекачки тепла АБТН фирмы Thermax в качестве источника высокопотенциальной энергии используется водяной пар, горячая вода, выхлопные газы, топливо, геотермальная энергия или их сочетание. Такие тепловые насосы экономят около 35% тепловой энергии.

Промышленный абсорбционный тепловой насос представлен на рис.3.8.

Рис. 3.8. Абсорбционный тепловой насос

АБТН Thermax широко применяются в Европе, Скандинавии и Китае для централизованного теплоснабжения. Тепловые насосы также применяются в таких отраслях промышленности, как текстильной, пищевой, автомобильной, в производстве растительных масел и бытовой техники. По всему миру компанией Thermax установлены тепловые насосы суммарной мощностью более 100МВт.

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов - это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности - перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок - вплоть до выхлопных газов и солнечной энергии.

Так же эти агрегаты, особенно удобны в бытовых применениях, конструкций, которые не содержат движущихся деталей, а потому практически бесшумны.

В бытовых моделях рабочее тело в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части.

Недостатки АБН:

Более низкая эффективность по сравнению с компрессионными;

Сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5 - 7 лет.

Многие конструкции весьма критичны к размещению при установке, т.е. требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличие от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур - просто их эффективность снижается.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки - они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли.