Утилизация тепла охлаждающих жидкостей – один из важных аспектов энергосбережения. Разработка, проектирование и эксплуатация систем утилизации низкопотенциального тепла

Руководительпроекта:

Смоленск -2007г.

1.Введение………………………………………………………..3

2.Структура АЭС и основные источники тепловой энергии…4

2.1.Реакторы типа РБМК-1000……………………………….....4

2.2. Реакторы типа ВВЭР-1000………………………………….5

2.3.Источники тепла для возможного дополнительного

преобразования энергии на АЭС………………………………..7

3.Теплоэнергетические преобразователи……………………….9

Известно, что в настоящее время разработаны достаточно эффективные полупроводниковые преобразователи теплоты в электроэнергию, использование которых на АЭС может улучшить показатели эффективности и безопасности станций. Особенный интерес, на наш взгляд, является выработка электрической энергии в аварийных режимах для поддержания работоспособности систем обеспечения безопасности АЭС. Дело в том, что тепловая энергия конструктивных элементов АЭС достаточно инерционна, т. е. даже при прекращении работы реактора температура его узлов и элементов меняется достаточно медленно во времени. Следовательно, преобразование накопленного тепла в электроэнергию может обеспечить электроснабжение как систем безопасности АЭС, так и других внутренних потребителей.

Целью проекта является определение технических возможностей утилизации потерь тепловой энергии на АЭС с помощью теплоэнергетических полупроводниковых преобразователей (теплоэлектрогенераторов).

2.Структура АЭС и основные источники тепловой энергии.

Основным структурным элементом АЭС является ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется цепная ядерная реакция деления атомов урана и происходит передача энергии деления теплоносителю (как правило – воде). Основными типами ядерных реакторов в энергетике России являются водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР) и реакторы большой мощности канальные (РБМК). Удельная плотность теплового потока у реакторов ВВЭР доходит до 850 кВт/м2, у реакторов РБМК значительно меньше ввиду существенно больших размеров активной зоны.

2.1.Реакторы типа РБМК-1000

Реактор РБМК (реактор большой мощности канальный) получил своё название из-за своей большой мощности. Индекс 1000 означает, что эти реакторы имеют электрическую мощность 1000 МВт при тепловой мощности в 3200 МВт.

В реакторах типа РБМК теплоносителем является кипящая вода под большим давлением (около 60 атмосфер). Замедлителем в этих реакторах является графит. Основу конструкции таких реакторов составляют прямоугольные блоки из особо чистого графита. Размером 250Х250Х500 мм. В своей форме блоки имеют цилиндрические отверстия, вследствие чего при укладке их один на другой образуется вертикальный технологический канал, в который вставляется металлическая труба из сплава циркония. Внутри металлической трубы располагаются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и проходит охлаждающая вода. Вся графитовая кладка представляет собой цилиндр диаметром около 14 метров и высотой свыше 8 метров. Для герметизации реакторного пространства графитовая кладка с боков окружена сварным металлическим кожухом, а сверху и снизу массивными стальными плитами, которые обеспечивают не только крепление графита, но и являются частью биологической защиты реактора. Около 5 % мощности реактора выделяется в графите, поэтому для предотвращения окисления графита реакторное пространство заполняют медленно циркулирующей смесью гелия (He 85-90 %) и азота (N 10-15 %). В каждом технологическом канале, а их в реакторе РБМК-1000 всего 1661, находится по две тепловыделяющих сборки, соединённых последовательно, а поскольку каждый ТВЭЛ имеет длину 3,5 метра, высота активной зоны реактора составляет 7 метров. При этом общая загрузка урана в реактор составляет 200 тонн, если обогащение урана-235 имеет количество до 2,4 %.

К основным достоинствам канальных реакторах относили отсутствие трудоёмкого и дорогостоящего корпуса, возможность наращивания мощности путем пристройки новых графитовых блоков без изменения конструкций других узлов, а также возможность замены без остановки реактора отработавших тепловыделяющих элементов на новые.

Наряду с достоинствами реакторы РБМК имеют некоторые недостатки. Поскольку в реакторах РБМК охлаждающая вода непосредственно из активной зоны попадает в парогенератор и в турбину, то их называют одноконтурными. А в одноконтурных реакторах не исключена вероятность попадания радиоактивных веществ в воду, турбогенератор, а также другие объекты станции при аварийной разгерметизации трубопроводов. Кроме того, для реакторов РБМК ввиду большей длины активной зоны, большого объема графитовой кладки и некоторых других факторов характерна неравномерность распределения нейтронов по высоте и объему, а, следовательно, неравномерность тепловыделения. Это в совокупности с особенностями изменения замедляющих свойств паровоздушной смеси в процессе работы приводит к некоторой неустойчивости работы реакторов.

На рисунке 1 приведена принципиальная схема АЭС с реактором РБМК-1000.

По рисунку видно что вода нагретая в технологических каналах до температуры 300°С по главным трубопроводам направляется от реактора к теплообменнику, где отдаёт часть своего тепла турбине, которая в свою очередь вращает парогенератор. Далее охлажденный до температуры примерно 30°С пар направляется в конденсатор и снова поступает в реактор в виде воды.

2.2.Реакторы типа ВВЭР-1000

Реакторы типа ВВЭР (водо-водяные энергетические реакторы) имеют некоторые конструктивные отличия от реакторов РБМК-1000.

Реакторы ВВЭР также как и РБМК имеют электрическую мощность 1000 МВт, но тепловая их мощность немного меньше и составляет 3000 МВт. Реакторы ВВЭР довольно тяжелые и имею массу в несколько сотен тонн.

Реакторы ВВЭР также называют корпусными реакторами. В корпусных реакторах применяется, как правило, двух контурная система использования воды. Нагретая до высокой температуры в активной зоне реактора вода поступает в теплообменник, где оставляет свое тепло, отдавая его воде второго контура. Первый и второй контуры отделены друг от друга изоляционным слоем, поэтому вода из первого контура не может попасть во второй. В этом существенное преимущество двухконтурных реакторных систем с точки зрения радиационной безопасности. В легководяных реакторах замедлителем и теплоносителем служит обыкновенная вода.

Существует две основных конструкции реакторов: BWR(boiling water reactor) – реактор с кипящей водой и PWR(pressurized water reactor) – реактор с водой под давлением. Промышленные типы этих реакторов были созданы в США в 50-х годах.

BWR – реактор прямого цикла. Охлаждающая вода циркулирует в нем, проходя через активную зону реактора, и превращается в пар внутри корпуса давления реактора. Этот пар непосредственно приводит во вращение турбину электрогенератора. Конденсат после прохождения им деаэратора поступает обратно в корпус реактора. Вследствие прямого цикла происходит загрязнение турбины радиоактивными веществами, содержащимися в паре и воде первичного контура. Поэтому турбина заключена в герметичный кожух, протечки из которого направляются обратно в первичный контур. Турбинный зал является контролируемой зоной, и во время технического обслуживания в нем необходимо применять специальные меры предосторожности.

PWR – реактор непрямого цикла. Давление в корпусе реактора является достаточно высоким для предотвращения кипения воды. Эта вода при температуре примерно 320 градусов Цельсия циркулирует по замкнутому контуру, включающему парогенератор, вырабатывая во вторичном контуре пар, который приводит в действие турбину.

Реакторы ВВЭР постоянно развивают и усовершенствуют. Первый реактор ВВЭР имел мощность 210 МВт. За 20 лет электрическая мощность блока возросла до 1000 МВт; давление первого контура возросло с 10 МПа до 16 МПа, а давление пара в парогенераторах возросло с 2,3 до 6,4 МПа; удельная напряженность активной зоны возросла с 47 до 111 кВт/литр. У реактора ВВЭР есть некоторые апробированные общие решения.

ООО «ТМ МАШ» производит системы утилизации (когенерации) тепла дизель-генераторных установок (ДГУ, ДЭС), газопоршневых установок (ГПУ, ГПА, ГПГУ) и газотурбинных установок (ГТД). Система утилизации тепла для газовых или дизельных генераторных станций – комплекс тепломеханического оборудования и устройств, которые позволяют утилизировать тепловую энергию ряда ГПУ или ДГУ, объединять потоки теплоносителя в сборном тепловом пункте и выдавать тепло потребителю.

Фактическая оценка эффективности утилизации тепла: Расчет окупаемости СУТ

—

Основным элементом системы утилизации тепла (СУТ) является тепловой модуль (ТМ), также называемый блоком или модулем утилизации тепла (БУТ). Именно тепловой модуль утилизирует тепло от каждой электростанции, которое объединяется с теплом от других тепловых модулей и через сборный тепловой пункт выдается потребителю. Данная система и является системой утилизации тепла. Объединение СУТ с системой охлаждения ДГУ и ГПУ (радиаторы охлаждения, они же сухие градирни, насосы и прочая обвязка) дает законченную тепломеханическую систему объекта.

Примеры упрощенных тепловых схем:

ТМ позволяет в значительной степени повысить суммарный КПД — коэффициент полезного действия (коэффициент использования топлива) теплоэлектроагрегата, доведя его значение до 85-90%. Таким образом, основной задачей системы утилизации тепла является экономия затрат на выработку тепла, соответственно, внедрение СУТ в полной мере является энергосберегающей технологией. С примером расчета окупаемости системы утилизации тепла можно ознакомиться на этой странице .

Во время работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) тепловая энергия утилизируется в ТМ следующим образом:

• Утилизатор тепла антифриза (УТА) снимает тепло антифриза двигателя – вместо охлаждения антифриза на радиаторе охлаждения (сухая градирня) антифриз отдает свою тепловую энергию на нагрев воды потребителя. УТА представляет собой теплообменник кожухотрубчатого или пластинчатого типа, работающий по схеме «вода/антифриз» либо «антифриз/антифриз» (смотря какой сетевой теплоноситель используется у заказчика).
• Утилизатор тепла дымовых (отходящих) газов (УТГ) снимает тепло с уходящих выхлопных газов двигателя: температура уходящих дымовых газов на выходе из двигателя составляет порядка 450-550 °С, температура газов на выходе из УТГ составляет 120–180 °С. Данное понижение температуры позволяет обеспечить существенный нагрев воды потребителя. УТГ – кожухотрубчатый теплообменник, работающий по схеме «вода/дымовые газы» либо «антифриз/дымовые газы».

Общая величина утилизируемой тепловой энергии сопоставима с вырабатываемой электроэнергией – в среднем на 100% кВт полученной электроэнергии вырабатывается 110%-130% кВт тепла.

В случае, если генератором электрической энергии является турбинная установка, в состав теплового модуля входит только утилизатор тепла дымовых газов. Тепловая мощность УТГ определяется параметрами турбины, но обычно составляет от 120% до 145% от вырабатываемой электрической энергии.

Расчет требуемого расхода сетевого теплоносителя:

Варианты исполнения

Утилизировать тепло можно как отдельно с контуров антифриза либо выхлопных газов, так и с обоих контуров одновременно. Таким образом, получаются следующие варианты исполнения тепловых модулей:

• Тепловой модуль в полной заводской готовности (ТМ) . Состоит из двух утилизационных теплообменников, переключателя потока газов, байпасного трубопровода, трубопроводной обвязки, рамного основания, комплекта КИПиА, шкафа автоматического управления (ШАУ ТМ).
• Тепловой модуль утилизации тепла выхлопных газов (ТМВГ) . Состоит из утилизатора тепла выхлопных газов (УТГ), переключателя потоков газа с электроприводом, рамного основания, байпасной линии газовыхлопа и комплекта КИПиА.
• Тепловой модуль утилизации тепла антифриза (ТМВВ) . Включает в себя утилизатор тепла антифриза (УТА), трубопроводную обвязку, трехходовые клапаны и ШАУ ТМ (при необходимости). В тепловых модулях, утилизирующие тепло по обоим контурам, ТМВГ и ТМВВ могут располагаться как на едино раме, так и раздельно, например ТМВВ внутри контейнера, а ТМВГ на крыше, либо на разных этажах здания энергоцентра. При заказе ТМВГ либо ТМВВ в комплект поставки могут быть включены соответствующие усеченные шкафы управления.

Комплектация

Традиционно тепловой модуль в полной заводской готовности включает в себя:

• Утилизатор тепла выхлопных газов (УТГ)
• Утилизатор тепла антифриза (УТА)
• Трубопроводную обвязку по линии антифриза и сетевой воды
• Байпасный трубопровод с затворами поворотными

Дополнительно в комплект поставки блока утилизации тепла может входить:

• Насосы прокачки антифриза и сетевой воды
• Защитный кожух для установки ТМ на улице / крыше контейнера
• Система утилизации низкопотенциального тепла
• Сетевой теплообменник

Конструктивные особенности и преимущества наших ТМ

• Теплообменные трубки из нержавеющей стали 12х18н10т увеличивают долговечность изделия
• Жаротрубное исполнение котлов-утилизаторов позволяет легко очищать трубки от загрязнения, конструкция жаротрубного теплообменника более компактна.
• Компенсатор на кожухе УТГ защищает теплообменник от повреждений в случае аварийного нарушения условий эксплуатации
• Возможность изготовления утилизаторов выхлопных газов с пониженным уровнем аэродинамического сопротивления (до 2 кПа)
• Кожухотрубное исполнение УТА облегчает его ремонт и очистку в условиях низкой транспортной доступности (нет необходимости заменять прокладки между пластинами)
• На этапе согласования с заказчиком компоновки наших тепловых модулей мы согласовываем монтажные, присоединительные и габаритные параметры тепловых модулей, что обеспечивает удобных подвод сетевой воды, антифриза и дымовых газов
• Тепловые модули изготавливаются на рабочее давление жидких сред – 0,6МПа.
• Все тепловые модули в сборе, а также и по отдельным узлам проходят обязательные гидравлические испытания на нашем производстве. Испытательное давление – 0,8 МПа
• Мы можем изготавливать модули на давление до 4 МПа
• Помощь в проектировании и подборе смежных систем и оборудования
• Гибкий подход к требованиям и пожеланиям заказчика

Система утилизация тепла «ТМ МАШ». Примеры:

ООО «ТМ МАШ» изготовило СУТ практически для всех ДГУ и ГПУ, которые представлены в России. Ниже приведены примеры различных вариантов построения когенерационных модулей:

• Система утилизации тепла для ГПУ Caterpillar G3618B
  • Открытого исполнения (располагается внутри отапливаемого помещения);
  • Утилизируется вся тепловая мощность (и выхлоп, и охлаждающая жидкость);
  • Объект: тепличное хозяйство в Ленобласти;
• Когенератор тепла для ГПУ Caterpillar G3412
  • Кожухного (капотного) исполнения (располагается на крыше контейнера);
  • Полный тепловой модуль;
  • Объект: промышленное производство недалеко от Магнитогорска;
• Утилизатор тепла дымовых газов ДЭС Caterpillar D3516
  • Открытого исполнения для расположения в здании электростанции;
  • Теплосъем с выхлопа;
  • Объект: муниципальная дизельная теплоэлектростанция в пос. Тура (Красноярский край);
• Тепловой модуль утилизации тепла антифриза для ДГУ на базе ДВС Caterpillar C18
  • Открытого исполнения для расположения в здании энергоцентра сбоку от ДГУ;
  • Утилизация тепла охлаждающей жидкости;
  • Объект: муниципальная дизельная теплоэлектростанция на о. Сахалин;
  • Особенность: утилизатор тепла антифриза построен на базе пластинчатого теплообменника;
• Когенерационный модуль для газопоршневой установки Cummins 315GFBA
  • Открытого исполнения (в каркасе – для расположения внутри помещения на втором этаже);
  • Теплосъем только с отходящих дымовых газов;
  • Объект: физкультурно-оздоровительный комплекс СПб;
• Утилизатор тепла ГПА Cummins 315GFBA
  • Открытого исполнения для расположения внутри помещения рядом с ГПУ;
  • Утилизируется тепло с обоих контуров (полный ТМ);
  • Объект: промышленное производство в г. Миасс;
• Котел-утилизатор тепла ГПУ Cummins 1750N5C
  • Изготавливали только непосредственно котел-утилизатор (УТГ);
  • Утилизируется тепло дымовых газов;
  • Объект: котельная в г. Сочи;
• Полные тепловые модули для дизель-генераторных установок Cummins KTA 50G3 и KTA 38G5
  • Открытого исполнения для расположения внутри помещения рядом с ДГУ;
  • Теплосъем с двух контуров (контур выхлопных газов и контур охлаждающей жидкости);
  • Объект: муниципальная ТЭС в Якутии (пос. Оленек);
  • Особенность: Утилизатор тепла дымовых газов водотрубного типа (стандартный котел-утилизатор производства ТМ МАШ имеет конфигурацию жаротрубного теплообменника), утилизатор тепла антифриза на базе пластинчатого теплообменника;
• Утилизатор тепла дымовых газов ГПУ GE Jenbacher JMS 416
  • Открытого исполнения для расположения на опорах над существующим контейнером с ГПУ;
  • Теплосъем с выхлопа;
  • Объект: логистический терминал в Челябинской области;
  • Особенность: Тепловой модуль устанавливался на объекте с существующей блок-контейнерной газопоршневой установкой;
• • Открытого исполнения для расположения на крыше помещения над ГПУ;
  • Полная утилизация тепла;
  • Объект: гостиница и ТРК в Москве;
  • Особенность: ГПУ работает на сжиженном газе (СУГ – сжиженный пропан-бутан);
• Когенерация тепла дымовых газов микротурбинной установки Capstone C1000
  • Открытого исполнения для расположения внутри помещения рядом с микротурбинным агрегатом;
  • Теплосъем с выхлопа (кроме выхлопных газов на турбинах и микротурбинах больше нигде теплосъем не осуществить);
  • Объект: торговый комплекс в Магнитогорске;
  • Особенность: Утилизатор тепла водотрубного типа (стандартный котел-утилизатор производства ТМ МАШ имеет конфигурацию жаротрубного теплообменника);
• Блоки утилизации тепла для ГПУ Камаз
  • Тепловой модуль открытого исполнения на раме для установке в здании;
  • Полные тепловые модули;
  • Объект: котельная в г. Саратов;
• Утилизатор тепла выхлопных газов и антифриза газопоршневых агрегатов на базе ДВС Daewoo Doosan
  • Открытого исполнения для расположения контейнерах с газопоршневыми агрегатами;
  • Полная утилизация тепла;
  • Объект: автомойка грузовых автомобилей в пос. Синявино (Ленобласть);
• Блок утилизации тепла дымовых газов ДГУ УДМЗ 6ДМ-21ЭЛ-М (Уральский дизель-моторный завод)
  • Открытого исполнения для расположения на контейнере;
  • Теплосъем с выхлопа;
  • Объект: муниципальная ДЭС для крайнего севера;
• Теплоутилизатор дымовых газов ГПУ Arrow (Китай)
  • Открытого исполнения для расположения рядом с ГПУ капотного исполнения;
  • Теплосъем с выхлопа;
  • Объект: таксопарк в г. Курган;

Системы утилизации тепла с получением электроэнергии .

Данная технология позволяет использовать подлежащее утилизации (лишнее) тепло​ для производства электроэнергии.

Это тепловой электрогенератор, принцип работы которого использует органический цикл Ренкина (ORC).

Основным элементом данного теплового электрогенератора является ORC-турбина. Принцип действия, физические основы и аспекты применения данной технологии хорошо описаны в статье Белова Г.В. и Дорохова М.А. (МГТУ им. Н.Э. Баумана.​), которую для ознакомления на нашем сайте.

Системы генерации электроэнергии на основе Органического Цикла Ренкина могут быть успешно использованы во многих случаях, где необходимо утилизировать лишнее тепло получаемое в результате производственной деятельности предприятия например:

Утилизация тепла при сжигании растительной биомассы;

Утилизация тепла при сжигании древесных отходов лесопильного производства;

Утилизация теплоизбытков промышленного предприятия;

Утилизация тепла получаемого солнечными коллекторами;

Утилизация "лишнего" тепла от традиционных и когенерационных котельных (особенно в летнее время)

Мы предлагаем конкретное инженерное решение, проектирование и поставку соответствующего оборудования для реализации данной технологии на вашем предприятии с учетом ваших конктертых условий и особенностей реализации проекта.

Получение или использование тепла всегда связано с проблемой выброса неиспользованной части тепла в атмосферу. Так, например, на некоторых химических предприятиях температура отходящих газов превышает - 800С. В настоящий момент используются котельные на газообразном, жидком и твёрдом (дерево, уголь, щеп, лузга и т.д.) топливе, где температура на выходе от 110С и выше, в зависимости от эффективности котла.

​

Котельные, работающие на торфе, лузге, древесных отходах, биотопливе, мазуте и другом утилизируемом топливе

Цементные, химические, фармацевтические, мусоросжигательные заводы

Как правило, на энергоёмких предприятиях часть тепловой энергии используется, по возможности, для обеспечения теплом как зданий и сооружений самого предприятия так близь лежащих населённых пунктов. Однако достаточно большое количество тепла выбрасывается в атмосферу, либо утилизируется через градирни разной конструкции.

Градирни

Используя предлагаемые современные технологии, утилизируемые тепловые выбросы можно превращать в электроэнергию. В этом случае, предприятие может значительно снизить затраты на электроэнергию, тем самым снизив себестоимость продукции. При выработке тепла, сжигая различного рода отходы - щепу, лузгу, лигнин, бытовой, промышленный мусор и др. на выходе получается достаточно низкопотенциальное тепло - не более +300С. Однако этого достаточно для использования электрогенераторов на ORC-турбинах. В этом случае наиболее эффективны генераторы, использующие органический цикл Ренкина, схема которого представлена на рисунке №1.

Если кратко, то принцип использования тепла заключается в следующем. Внутри герметичного контура находится, например хладагент R -134, такой же, как в промышленном кондиционере. При нагреве внешним источником тепла с помощью теплообменника разделяющего среды, происходит кипение и превращение в газ жидкого хладогента. Газ расширяется и устремляется в турбину. Проходя через турбину и отдав свою тепловую энергию, газ поступает в конденсатор (охладитель), где конденсируется, превращаясь в жидкость. Насосом жидкость подаётся обратно в зону нагрева. Газ, проходящий через турбину, раскручивает ее и энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора. Все как в чиллере, но наоборот. Если в чиллере с помощью электроэнергии подаваемой на мотор компрессора происходит сжатие хладогента (R -134) и доведение его до жидкого состояния с последующей выработкой холода и тепла, то в генераторе использующего цикл Ренкина, вместо компрессора стоит турбина, а электромотора - электрогенератор. Что касается размеров установок использующих цикл Ренкина, то как видно ниже на фото, чиллер и ORC-генератор с виду очень похожи и имеют примерно одни и те же размеры.

Генератор ORC с винтовой турбиной Чиллер с винтовым компрессором.

Генераторы ORC имеют разную конструкцию, используют как газообразный, так и жидкий источник тепловой энергии, как правило, с температурой выше 80С. Долголетний срок службы - 20 лет и более обусловлен тем, что турбина работает в герметичной и относительно низкотемпературной среде с чистым газом.

Генераторы ORC не требуют обслуживания, практически замена масла и подшипников в турбине и генераторе - раз в два года.

Ресурс генератора ORC превышает 100 000 часов и выше.

Единственный недостаток генератора ORC - это его низкий электрический КПД, который находится в пределах - 8-25%. Однако общий КПД (электичество+ выработка тепла) достигает 85% и более.

Но если посмотреть с практической точки зрения, например: теплогенератор на щепе тепловой мощностью 1000 кВт обеспечит выработку 100 кВт электроэнергии и порядка 680 кВт горячей воды с температурой 90/70С и выше. Это позволит, запитать все электрические насосы, системы управления, освещения и т.д. Таким, образом, практически отказаться от подвода дополнительной электроэнергии со стороны.

Так же если, вместо котла утилизатора, на выхлопе газопоршневой когенерационной установки электрической мощностью 1000 кВт установить генератор ORC, то общий электрический КПД достигнет 38+10=48%, при сохранении теплового КПД - около 50%.

Генераторы ORC производятся во многих странах мира. Наша компания готова Вам предложить реализацию данной технологии "под ключ" (проект, поставка, монтаж, пусконаладка, сервисное и постгарантийное обслуживание), для наиболее успешного решения задач энергоэффективности Вашего предприятия, жилого комплекса и т.д.

Зимы в России суровые, а потому к списку «примет народных» в эпоху индустриализации добавилась еще одна: если дренаж «парит», фланец подтекает, значит, технологические системы работают и не заморожены. Если нет, то, как говорится, «дело - труба» - придется систему отогревать и бороться с обледенением. В текущем столетии доступны куда более эффективные подходы к обеспечению работоспособности теплоэнергетических и технологических систем, но привычка снисходительно относиться к парящим дренажам и подтекающим фланцам осталась.

Между тем, в этом «теплоэнергетическом тумане» бесследно исчезают деньги - те, что были потрачены на выработку тепла. В условиях, когда тарифы на топливо и воду неуклонно растут, такое пренебрежение энергоресурсами - упущенная возможность в борьбе за эффективное производство.
Помимо пара к вторичным ресурсам относятся также и другие среды технологических процессов, такие как паровой конденсат после технологического оборудования и охлаждающая вода. В 8 случаях из 10 в моей практике (НПТ) на предприятиях не используется никак, а только требует дополнительных затрат на утилизацию.
О том, как трансформировать низкопотенциальное тепло в дополнительный источник экономии - эта статья.

Низкопотенциальное тепло: где искать и как использовать

В промышленности к низкопотенциальным обычно относят вторичные энергетические ресурсы, представляющие собой жидкости с температурой менее 100°С и газы с температурой ниже 300°С. На практике за верхний предел температуры для конкретного потребителя можно принять температуру источника, которая позволяет использовать его тепло на полезные цели с помощью простых, давно известных и относительно дешевых устройств - теплообменников. Нижний предел температуры источников НПТ может показаться удивительным, но современные компрессионные тепловые насосы могут извлекать тепло из атмосферного воздуха в зимнее время вплоть до температур -30°С. Совсем не «тепло», но может использоваться для отопления жилых домов и даже промышленных целей (например, отопления удаленных промышленных объектов, имеющих надежное электроснабжение и проблемы с отоплением). Диапазоны температур использования низкопотенциального тепла представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Пример организации схемы ступенчатого снижения давления и использования пара разных параметров.

На промышленном предприятии источники НПТ бывают «обычные», характерные для практически любого производства (теплота промышленных стоков, отработанный пар технологических агрегатов, теплота конденсата пара после технологического оборудования или поступившего в конденсаторы тепловых двигателей с турбоприводом, теплота, которая передается системе оборотного водоснабжения в результате охлаждения оборудования и обычно сбрасывается в атмосферу через градирни или напрямую в пруды-охладители) и «специфические», характерные для предприятий определенной отрасли или региона. Так, для нефтехимических и газоперерабатывающих предприятий, например, характерны потери отходящих дымовых газов технологических печей; отработанного пара от ректификационных колонн, вакуумных систем, нагревателей; и теплоты продуктовых потоков.

Как использовать это тепло? Все зависит от потребностей и задач, которые есть у вас на предприятии. Вариантов много:

• использовать для отопления, подогрева воды для подпитки технологических систем или ее предварительной деаэрации;
• возвращать НПТ в технологический цикл и использовать повторно в технологических процессах;
• использовать для теплоснабжения объектов, удаленных от источников дешевого топлива;
• получать электроэнергию с целью снижения затрат на ее покупку у стороннего поставщика или резервирования питания собственных нужд.

Результаты:

• сокращение затрат на топливо и, соответственно, первичную выработку тепла или электроэнергии;
• снижение затрат на покупку воды для подпитки технологических циклов, ее обработку в системах водоподготовки и подогрев ее до температур, необходимых по технологическим требованиям;
• снижение затрат на подпиточную воду оборотного водоснабжения (испаряется в градирнях);
• снижение выбросов СО 2 и оксидов азота за счет уменьшения количества сжигаемого топлива.

Технические решения

В настоящее время существует несколько принципиальных технологий для .

Теплонасосные установки (ТНУ)

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы используют для извлечения НПТ тепловые источники более высокого потенциала: горячая вода, пар, отходящие газы, прямое сжигание топлива.

Компрессионные тепловые машины (КТН) в режиме работы те-
пловых насосов (ТНУ)

Рисунок 2. Принцип действия компрессионного ТН

Принцип действия КТН основан на способности низкотемпературного хладагента при кипении в условиях низкого давления отбирать тепло от источника низкотемпературного тепла. Температурный диапазон работы подбирается за счет выбора конкретного рабочего тела и диапазона рабочего давления. Для специальных промышленных установок можно получить максимальные температуры порядка 120÷140°С с использованием «каскадных» схем подключения и соответствующих хладагентов. Отдельное перспективное направление - высокотемпературные ТНУ с использованием СО 2 с закритическими параметрами.

Абсорбционные тепловые машины в режиме работы тепловых насосов (АБТН)

Принцип действия АБТН основан на способности раствора абсорбента поглощать водяные пары, имеющие более низкую температуру, чем раствор.

Наибольшее распространение получили абсорбционные тепловые машины, в качестве абсорбента использующие раствор бромида лития (LiBr). Установки обеспечивают нагрев воды до температур 60-90°С.

Такие установки могут использоваться в режиме холодильной машины (АБХМ), обеспечивая охлаждение воды (например, технологической) до температур 5-15°С независимо от температуры окружающей среды.

Рисунок 3. Принцип действия АБТМ

Установки с использованием ORC-цикла для получения электроэнергии

Главная отличительная особенность установок на базе органического цикла Ренкина (ORC) - применение органического рабочего вещества вместо водяного пара. Это повышает общий КПД теплового цикла на малых мощностях и при низкой температуре источника тепла по сравнению с классическим паровым циклом, так как температура кипения органического вещества меньше, чем у воды, а с другой стороны - ограничивает их использование на средних и больших мощностях.

Интерес к установкам с ORC значительно усилился с развитием энергетических источников на нетрадиционных видах топлива (отходы деревообработки, биотопливо), так как при их сжигании трудно обеспечить параметры теплоносителя на выходе установки, позволяющие эффективно использовать обычный пароводяной цикл.

Диаграмма 1 . Область эффективного применения установок с ORC-циклом

В настоящее время в рамках повышения энергоэффективности предприятий нефтехимической промышленности и других, применяющих в технологиях пар разных параметров, производится модернизация с заменой редукционно-охладительных установок (РОУ) на противодавленческие турбины. В качестве нижнего предела редуцирования при этом используется пар с давлением, пригодным для целей теплоснабжения. Однако потребление тепловой энергии на отопление носит сезонный характер и ограничивает возможности выработки электроэнергии турбин с противодавлением, снижая и экономическую эффективность. Применение ORC-установок позволило бы уйти от сезонной неравномерности и служить дополнительной поддержкой электропитания собственных нужд.

В последнее время указанные выше технологии все чаще используются в различных сочетаниях между собой. Например, когенерация - соединение установок выработки электроэнергии, в том числе с ORC-циклом, и оборудования для получения тепловой энергии нужных для потребителя параметров за счет утилизации низкопотенциального тепла .

Если тепловая машина в составе автономной установки электроснабжения спроектирована для работы как в режиме теплового насоса, так и в режиме «холодильника» - система генерации электроэнергии преобразуется в систему тригенерации с получением дешевой электрической энергии, тепловой энергии, а также холода.

Системы сбора и возврата конденсата на производственных предприятиях

Тепловая энергия, содержащаяся в конденсате пара после его использования в технологических цепочках предприятия должна максимально возвращаться для последующего использования. При этом сам конденсат - отличный источник для подпитки паровых технологических контуров энергопроизводящих установок, снижающий необходимость подготовки дополнительной воды.

Основные задачи при проектировании и эксплуатации систем утилизации низкопотенциального тепла

Увязать между собой имеющиеся источники НПТ и потребителей, варианты их использования с учетом потребностей на конкретном предприятии, обеспечив при этом экономическую эффективность проекта - сложная инженерная задача. Для ее решения разработка системы утилизации должна включать следующие этапы:

• проведение предпроектного обследования энергетической системы (сбор данных и составление энергетических балансов, инструментальное обследование),
• моделирование технологических процессов установок, эксплуатация которых приводит к максимальным энергетическим потерям (математическое моделирование, пинч-анализ),
• анализ ресурсных ограничений при использовании НПТ, разработка вариантов и выбор оптимальных решений,
• анализ экономических ограничений при использовании НПТ в условиях данного предприятия и разработка ТЭО.

Специфика проектирования и эксплуатационные особенности систем утилизации НПТ заключаются в том, что практические все они используют в своей работе низкокипящие хладагенты, т.е. фактически «холодильные» технологии. Неслучайно вопросы безопасности тепловых насосов включены в единый ГОСТ с холодильными машинами (ГОСТ EN 378-1-2014 Системы холодильные и тепловые насосы. Требования безопасности и охраны окружающей среды. Части 1-4). Опыт эксплуатации подобных технологий в России существенен.

Будущее технологии в России

Эффективность технологий утилизации низкопотенциального тепла не вызывает вопросов, поэтому они с каждым годом они все шире применяются во всем мире. Причины медленного внедрения их в России - экономические. Низкая стоимость энергоносителей и относительно высокая стоимость импортного оборудования обуславливают высокие сроки окупаемости «стандартных» проектов.

Однако практика показывает, что эффективная экономика проекта - это всегда вопрос индивидуального подхода и ответственного отношения исполнителя к проектированию системы и подбору оптимального оборудования и комплектующих. К тому же, сроки окупаемости сегодня рассчитываются исходя из действующих тарифов на энергоносители, тогда как грядущая либерализация тарифов на тепловую энергию, скорее всего, приведет к резкому росту энергетической составляющей в затратах предприятий.

Меньше других эта ситуация затронет те компании, которые уже сейчас начинают оптимизировать энергозатраты, в частности, благодаря повторному использованию низкопотенциального тепла.

Игорь Соколов
Ведущий эксперт компании «Первый инженер»

В программе комплексного использования (утилизации) углеотходов достаточно перспективной является проблема утилизации тепловых выбросов.

Разработка способов и средств борьбы с тепловыми загрязнениями окружающей среды и утилизация тепловой энергии актуальны. В отрасли затраты на топливо и энергию в среднем составляют 30% общих затрат на добычу угля. В то же время единовременные затраты (капитальные вложения) на строительство утилизационных установок, отнесенные к 1 т сэкономленного топлива, в 2--2,5 раза меньше, чем расходы на добычу первичного топлива. По оценкам специалистов эффективность капитальных вложений в производство энергии при использовании вторичных энергетических ресурсов в 2--3 раза выше чем в топливно-энергетической отрасли промышленности. Себестоимость тепла от утилизационных установок в 4--6 раз ниже, чем от энергосистем, и в 8--12 раз ниже, чем от собственных котельных отрасли.

Однако повышение уровня использования вторичных энергетических ресурсов сдерживается из-за отсутствия специального утилизационного оборудования и энергосберегающих технологий.

Использование тепловых выбросов получает все большее распространение и рассматривается как часть проблемы использования побочных или вторичных энергетических ресурсов. Отходами некоторых производств являются пары, газы, горячая вода, шлаки и другие выбросы, температура которых превышает температуру окружающей среды от нескольких градусов до 800°С, а в отдельных случаях и до 1000°С. В разнообразии температурных уровней, режимов выхода и характеристик выбросов разных производств заключена причина различного подхода к использованию тепловых выбросов. Наиболее распространена регенерация тепловых выбросов (возвращение теплоты в технологические процессы) или их утилизация для других целей.

Наиболее широко тепловые выбросы используются в черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, цветной металлургии и машиностроении. Широко изучаются возможности дальнейшего расширения их использования. Аппараты и технологии утилизации тепловых выбросов получили применение на предприятиях теплоэнергетики, на цементных заводах и других предприятиях.

В числе практических мероприятий по использованию сбросного тепла энергетических объектов можно назвать действующую в Москве опытно-промышленную теплицу с плоской водонаполненной кровлей, по которой стекает вода из градирни при температуре 32--42 °С. При расходе воды 100 дм3/м2*ч температура в теплице поддерживается на уровне 22--24°С.

Изучаются возможности использования сбросов тепловых и атомных электростанций для орошения подогретой водой сельскохозяйственных угодий, продления навигации на замерзающих реках, для опреснительных установок и т. п.

Ряд организаций разрабатывает теплоиспользующие холодильные машины, теплообменники с использованием низкокипящих рабочих тел и другие установки, направленные на утилизацию низкотемпературных (менее 150°С) газообразных и жидких выбросов предприятий химической, пищевой и перерабатывающей промышленности.

Низкопотенциальное тепло, сбрасываемое технологическими установками, может быть использовано в опреснительных установках, установках кондиционирования для теплоснабжения, а в сельском хозяйстве -- для орошения водой с более высокой температурой, что оказывает положительное влияние на урожай, для продления навигации и т.д.

Все более интенсивно изучаются возможности использования тепловых выбросов коммунально-бытового хозяйства. Важным практическим решением этих задач является сооружение заводов по сжиганию коммунально-бытовых отходов, где предусматривается комплексное использование теплоты и всех негорючих отходов.

В настоящее время значительная часть предприятий и коммунально-бытовых потребителей используют тепловую энергию в виде горячей воды, воздуха, газов и пара.

Непроизводительный расход тепловой энергии большинством потребителей связан с недостаточным учетом этого фактора при конструировании, с потреблением тепловой энергии более высоких, чем нужно, параметров и отсутствием четкого регулирования потребления, не предусмотрено полное использование теплоты, получаемой с нагретой водой, воздухом или паром. Одними из факторов экономии тепловой энергии являются использование надежной тепловой изоляции и поддержание ее в исправности. Широкие возможности снижения тепловых выбросов в промышленности возникают, если их использовать в качестве вторичных энергетических ресурсов.

Значительная экономия тепловой энергии возможна за счет улучшения эксплуатации теплопотребляющих установок и их усовершенствования, а в жилищно-коммунальном секторе -- за счет оптимизации тепловых режимов сетей теплоснабжения, улучшения теплового конструирования зданий, сокращения теплопотерь, а также за счет других мероприятий, в том числе использования термотрансформаторов -- тепловых насосов.

Велики резервы экономии энергоресурсов за счет утилизации тепла вентиляционных выбросов. Использование этого источника экономии в первую очередь зависит от обеспеченности предприятий соответствующим оборудованием. Для решения этого вопроса, в частности, предусматривается организовать производство новых видов теплоутилизационного оборудования для системы вентиляции промышленных и общественных зданий и сооружений, включая вращающиеся и пластинчатые утилизаторы с тепловыми трубами, утилизаторы с промежуточными теплоносителями и др. Вносятся необходимые изменения в строительные и технологические нормы и правила по проектированию и строительству промышленных и общественных зданий и сооружений, что позволит обеспечить широкое применение теплоутилизационного оборудования в системах вентиляции и отопления.

При утилизации теплоты отходящих газов могут происходить нагревание воздуха или воды и последующая их подача в системы вентиляции и водяного отопления.

Одним из видов вторичных энергоресурсов на промышленных предприятиях является вода, ассимилирующая теплоту от технологического оборудования (в том числе от воздушных компрессоров) и охлаждаемая затем в системах оборотного водоснабжения, Потребителями низкотемпературной теплоты могут быть системы вентиляции, воздушного отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения.

В последнее десятилетие во многих странах мира большое внимание уделяется созданию и внедрению тепловых насосов. Особая важность этой проблемы определяется весьма крупными масштабами возможной экономии энергоресурсов. Тепловые насосы позволяют утилизировать низкопотенциальную энергию практически любых промышленных и бытовых тепловых выбросов. При этом сам тепловой насос является полностью или в значительной степени экологически чистым источником энергии. Наиболее перспективно внедрение тепловых насосов в пищевой промышленности. Здесь крупными потребителями тепловой энергии являются, например, чайные фабрики, где проводится термическая обработка зеленого листа чая -- завяливание и сушка.

Эффективная система введена в строй на одном из сыромаслозаводов недалеко от Тбилиси. Теплонасосная установка здесь заменяет как холодильную установку с градирней, так и котельную. Отбираемое от охлаждения тепло идет на пастеризацию молока.

Еще одно направление -- санитарно-курортное хозяйство. В качестве первого опыта тепловые насосы установлены в популярной здравнице Гагра. Там, как и на других курортах Черноморского побережья Грузии, котельные на угле и мазуте из экологических соображений уже давно были заменены электрокотлами. Но теперь им предстоит уступить место теплонасосным установкам, потребляющим в три-четыре раза меньше электроэнергии.

В настоящее время разработана программа перевода всей чайной промышленности Грузии, а также ряда санаториев на теплонасосную систему теплохладоснабжения. Ее эффективность с точки зрения сбережения энергоресурсов несомненна. Кроме того, она обладает и другим, чрезвычайно важным достоинством -- полностью исключается тепловое и химическое загрязнение окружающей среды.

Использование тепла сточных вод систем канализации для теплоснабжения зданий с помощью тепловых насосов дает возможность экономить природное топливо и не загрязнять окружающую среду вредными выбросами при сжигании его в традиционных котельных.

Для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий применяются тепловые насосы парокомпрессионного типа с использованием низкопотенциального тепла сточных вод канализации.

Институтом ВНИИОСуголь определены возможные области эффективного использования тепловых насосов в угольной и горнорудной промышленности, а также источники получения тепла: компрессорные и вентиляторные установки, шахтные и сточные воды.

На основании проведенных исследований разработана природоохранная энергосберегающая технология охлаждения шахтных компрессоров с утилизацией теплоты оборотной воды с помощью тепловых насосов.

Технология предназначена для охлаждения и утилизации тепла оборотной воды стационарных шахтных компрессорных установок. Принцип действия основан на использовании холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, для охлаждения оборотной воды и передачи трансформируемого тепла этой воды потребителю. Горячая вода, полученная при утилизации бросового тепла, может быть использована для подпитки котлов, бытовых нужд, в тепличном хозяйстве, в системе отопления зданий.

Утилизация тепловых выбросов в угольной промышленности страны представляет собой яркий пример решения средозащитной проблемы, которое обеспечивает комплексный социально-экономический эффект, проявляющийся в повышении эффективности общественного производства и уровня жизни населения. В основе этого решения лежит создание таких энергосберегающих технологий, устройств и мероприятий, внедрение которых не требует больших капитальных вложений, а широкое их использование обеспечивает значительный экономический эффект, одновременно способствуя снижению экологической напряженности.