Предел неэффективности тепловых насосных установок в теплофикационных системах

Введение

Тема целесообразности использования теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения с ТЭЦ является спорной среди специалистов отрасли. Отсутствие единого похода к обоснованию эффективности подобных систем привело к разделению мнений специалистов, одни склонны полагать, что ТНУ при параллельной работе с ТЭЦ приводят к снижению эффективности теплофикации, другие считают, что ТНУ способны вывести теплофикацию на качественно новый уровень и обеспечить повышение её эффективности.

Примечательно, что для каждого мнения имеется ряд подходов к обоснованию справедливости отстаиваемых убеждений. Интересной, с точки зрения различия методологических подходов, является дискуссия, развернувшаяся на площадке «РосТепло.ру» между канд. техн. наук В.Ф. Гершковичем в соавторстве с А.К. Литовченко [1] и канд. техн. наук С.А. Козловым [2]. В дискуссии произошло сравнение не сопоставимых вариантов, общим в которых является только наличие ТНУ.

В результате читатели получили два противоречивых заключения, при том, что каждый из авторов приводит корректные подтверждения своей точки зрения. Проблемой дискуссии является то, что полученные выводы справедливы только в рамках тех примеров, в которых они приводятся, и не могут быть экстраполированы на альтернативные технологические решения с применением ТНУ в системах централизованного теплоснабжения. Описанная проблема в настоящее время характерна для большинства подходов к оценке эффективности подобных проектов.

ТНУ позиционируются в первую очередь как энергосберегающие технологии, соответственно при первичной оценке их эффективности в условиях теплофикации необходимо опираться на экономию топлива на ТЭЦ сравнивая системы «ТЭЦ-потребитель» и «ТЭЦ-ТНУ-потребитель». Экономическая оценка при этом является обязательной, но вторичной, поскольку она в значительной степени привязана к конкретным условиям эксплуатации оборудования, а при абстрактных условиях может быть в некоторой степени манипулятивной и приводить к реализации проектов, которые не дают энергосберегающего эффекта.

Анализ публикаций по рассматриваемой тематике показывает, что основная часть работ посвящена тепловым насосам как одному из способов повышения экономичности ТЭЦ [5, 7, 8]. Некоторые авторы рассматривают именно применение тепловых насосов на сетевой воде ТЭЦ [3, 4, 6, 9]. В каждой работе приводятся свои подходы к оценке эффективности применения ТНУ. В рамках данной статьи предлагается рассмотреть возможную универсальную методику первичной оценки энергетической эффективности ТНУ в теплофикационных системах с целью получения однозначного ответа на вопрос: «является ли ТНУ энергосберегающей технологией при работе с ТЭЦ?».

При этом, как справедливо отметил Константин Борисов в обсуждении темы ТНУ в чате телеграм-канала Teplovichok, следует учитывать, что рассмотрение только энергетической и экономической эффективности ТНУ не отражает всей полноты факторов, определяющих целесообразность их применения в системах теплоснабжения. Для технологий, претендующих на статус энергоэффективных и низкоуглеродных, особую значимость имеют также показатели надежности и качества энергоснабжения потребителей. В настоящей работе внимание сосредоточено именно на энергетической составляющей и анализе топливного баланса, тогда как вопросы надежности и организационно-технических рисков требуют отдельного, самостоятельного рассмотрения.

Методы

Для получения ответа на поставленный выше вопрос предлагается ввести понятие предельно неэффективного коэффициента преобразования ТНУ (COP_пр.) для рассматриваемой системы. Под данным термином следует понимать такой коэффициент преобразования, при котором внедрение ТНУ в систему теплоснабжения с ТЭЦ не приведет к изменению расхода топлива на источнике. Дальнейшие рассмотрение предлагаемой методики будет вестись с учетом ряда принятых допущений:

1. На ТЭЦ установлены турбины типа Т или ПТ с двумя теплофикационными отборами;
2. ТНУ устанавливается для покрытия отопительной нагрузки ТЭЦ;
3. Вся теплота необходимая потребителю компенсируется ТНУ из автономного низкопотенциального источника теплоты;
4. Пренебрегаем высвобождением мощности вспомогательного оборудования тепловых сетей;
5. Рассматриваемая ТЭЦ является замыкающей и на ней имеется запас мощности для покрытия нужд ТНУ;
6. Доля пара на регенерацию постоянна в различных режимах работы турбины;
7. ТНУ является неотъемлемой частью системы теплоснабжения и рассматривается в комплексе с ТЭЦ.

Исходя из сформированного определения COP_пр. условие сохранения топливного баланса можно выразить через уравнение (1):

Равенство расходов топлива в вариантах будет соблюдено только при условии равного расхода пара от котлов на турбины ТЭЦ. При этом расход пара для варианта «ТЭЦ-потребитель» будет складываться из расхода пара на поддержание мощности в режиме конденсационной выработки и расходов пара в теплофикационные отборы с учетом коэффициентов недовыработки мощности. При произвольном распределении расходов пара в теплофикационные отборы получим уравнение (2), описывающее расход пара для варианта без ТНУ:

Представив расходы пара в теплофикационные отборы через балансовые зависимости от расхода теплоты на нужды теплоснабжения, получим уравнение (3):

Расход пара для варианта «ТЭЦ-ТНУ-потребитель», в условиях принятых допущений, будет равным только расходу пара на поддержание мощности в режиме конденсационной выработки. С учётом необходимости прироста мощности для обеспечения работы ТНУ получим уравнение (4):

Приравнивая уравнения (3) и (4) после сокращения единых элементов, получим уравнение (5) следующего вида:

После проведенных преобразований левая часть уравнения (6) представляет собой отношение компенсированного за счет ТНУ количества теплоты к необходимому приросту мощности для покрытия потребности ТНУ в электроэнергии, данная величина является аналитическим выражением COP_пр. Физический смысл полученной зависимости заключается в соотношении энергии, которая может быть получена из пара при его конденсации для нужд теплоснабжения, к энергии, которая может быть получена из того же количества пара при его расширении в турбине для нужд электроснабжения. В общем случае данное выражение можно перефразировать следующим образом: если высвобождаемой электрической мощности, при снижении тепловой нагрузки на отборы, достаточно только для покрытия нужд ТНУ, то в таком случае ТНУ имеет нулевую энергетическую эффективность. Из полученного уравнения видно, что эффективность ТНУ при совместной работе с ТЭЦ зависит главным образом от параметров пара в отборах и конденсаторе турбины.

Анализируя физический смысл уравнения (6), можно заключить, что принцип построения зависимости COP_пр. от параметров пара будет справедлив не только для теплофикационных отборов, но и для нерегулируемых регенерационных отборов, в случае если ТНУ внедряется непосредственно в тепловую схему ТЭЦ. В общем виде уравнение COP_пр для произвольного количества отборов примет вид (7):

Зависимость (7) позволяет провести первоначальную оценку эффективности ТНУ в теплофикационной системе. Частный случай данного уравнения для одного отбора был представлен в статье [7] в виде уравнения (2) для φ_ТЭЦ со схожей логикой дальнейшей оценки эффективности ТНУ.

Главным условием получения корректного результата расчета COP_пр является построение подробной модели процесса расширения пара в турбине для получения энтальпий пара в отборах. Особое внимание необходимо уделять процессам дросселирования в поворотных диафрагмах, которые регулируют давление в отопительных отборах, а также необходимо учитывать пределы регулирования давления, изменение КПД цилиндров низкого давления (ЦНД) и их пропускную способность. Исключение из модели процесса расширения вышеописанных факторов может существенно исказить результаты.

Результаты

В качестве примера предлагается рассмотреть переход от системы «ТЭЦ-потребитель» к системе «ТЭЦ-ТНУ-потребитель» для турбины ПТ-135/165-130/15. В рассматриваемом примере осуществляется 12% компенсация тепловой нагрузки отборов турбины. Принимается, что в отопительных отборах турбины поддерживается давление 0,199 МПа для верхнего отопительного отбора и 0,085 МПа для нижнего отопительного отбора. Пар распределяется равномерно между подогревателями. КПД ЦНД для рассматриваемого режима принят равным 0,8, а также принято допущение, что η_то ≈ η_эм. Процессы расширения для турбины без компенсации теплоты отборов и с компенсацией представлены на рис. 1.

До закрытия отборов энтальпия верхнего отбора составляла h_отб.1=2647 кДж/кг, нижнего h_отб.2=2578 кДж/кг, в конденсаторе h_к=2364 кДж/кг. Энтальпии дренажей h_др.1=505 кДж/кг и h_др.2=398 кДж/кг. После частичной компенсации тепловой нагрузки происходит раскрытие поворотных диафрагм и увеличение пропуска пара через ЦНД с сохранением расхода острого пара на входе в турбину. При 12 % компенсации получаем h_отб.1=2647 кДж/кг, h_отб.2=2569 кДж/кг, в конденсаторе h_к=2287 кДж/кг. Энтальпии дренажей h_др.1=840 кДж/кг и h_др.2=504 кДж/кг.

Необходимо отметить, что увеличение пропуска пара через проточную часть турбины приводит к увеличению теплоперепадов, т.е. пар, перераспределенный в конденсатор турбины, получает возможность выработать больше мощности, чем он потенциально мог бы выработать до перераспределения. В связи с чем, для уравнения (7) понадобятся данные как первого, так и второго режима.

При равномерном распределении пара по отборам α_отб.2=1. В таком случае уравнение (7) примет вид (8):

Подставляя в числитель параметры отборов в первом режиме, а в знаменатель параметры второго режима получим COP_пр ≈ 6,7. В случае если мощность теплового насоса мала по сравнению с общей тепловой нагрузкой, то можно считать, что процесс расширения в режимах до и после компенсации тепловой нагрузки идентичны. COP_пр при этом составит 8,7. Для режимов близких к летнему, когда открыт только один отопительный отбор и давление поддерживается на уровне нижнего предела регулирования, COP_пр составит 29,6 при малой компенсации тепловой нагрузки и 11,9 при 12% компенсации.

Обсуждение

Полученные результаты показывают, что предельно неэффективный коэффициент преобразования ТНУ для теплофикационных турбин оказывается достаточно высоким. Значения COP_пр, существенно превышают типичные значения COP реальных тепловых насосов. Это означает, что в изолированных системах, где отсутствует возможность внешнего перераспределения мощностей, достижение энергетической эффективности при совместной работе ТЭЦ и ТНУ возможно лишь в узком диапазоне условий [7], а в большинстве режимов установка ТНУ не обеспечивает снижения расхода топлива на источнике.

Отдельно стоит отметить режимы максимальной отопительной нагрузки, работу ТЭЦ с турбинами типа Р, работающих на теплофикацию и проекты с ТНУ, подключаемые к обратному трубопроводу тепловой сети.

В период максимально отопительной нагрузки для теплофикационных турбин могут быть характерны нулевые или отрицательные КПД ЦНД и, в случае двухступенчатого подогрева сетевой воды, при малой компенсации тепловой нагрузки COP_пр будет иметь значение, превышающее 56. Для турбин с противодавлением для формулы (7) h_отб будет равно h_к позволяя получить неопределенность, и вывод о том, что не существует такого COP_пр при котором тепловой насос сможет обеспечить сохранение расхода топлива на источнике. Тот же вывод вытекает и из физического смысла COP_пр, для противодавления невозможно сократить отпуск теплоты потребителю и одновременно увеличить выработку электрической мощности.

Проекты с ТНУ на обратном трубопроводе тепловой сети попадают в исключение из вышеописанной методики, поскольку нарушают допущение, принятое при разработке методики, а именно: «Вся теплота необходимая потребителю компенсируется ТНУ из автономного низкопотенциального источника теплоты». Данный тип проектов, в отличие от большинства аналогов, использует в качестве низкопотенциального источника теплоты энергию, полученную от ТЭЦ, и их внедрение не приводит к введению в тепловой баланс теплоты от возобновляемых источников. В общем случае тепловой насос, установленный на тепловой сети, забирает из нее теплоту необходимую потребителю за вычетом мощности, которая будет подведена к компрессору для повышения потенциала теплоты. С точки зрения источника, в системе появляется объект, который снижает нагрузку на теплофикацию и увеличивает потребляемую электрическую мощность в соотношении 1:1 в идеальном случае, и может быть интерпретирован как объект с коэффициентом преобразования (COP) равным 1.

Исходя из вышесказанного, для данных проектов не корректно сравнивать COP_пр и COP ТНУ используемой в проекте, а необходимо сравнивать COP_пр с 1. Таким образом, можно сделать вывод, что проекты с ТНУ на обратном трубопроводе не могут считаться энергоэффективными, поскольку количество теплоты, получаемой при конденсации пара, будет всегда больше мощности, которую можно получить в турбине на том же количестве пара при равных начальных условиях. Развитие решений с ТНУ на обратном трубопроводе до стадии изменения температурного графика сети, когда температура обратной сетевой воды становится достаточно низкой для использования в качестве охлаждающей воды конденсаторов, теоретически позволит снять ограничение по энергоэффективности озвученное выше и даст возможность оценивать их как аналогичные проекты с возобновляемыми источниками теплоты.

При подробном расчете COP_пр в частных случаях может потребоваться корректировка числителя или знаменателя уравнения (7), поскольку внедрение ТНУ будет сопровождаться высвобождением мощности в насосных системах при сокращении объемов перекачки теплоносителя и снижением отпуска теплоты с отборов при учете энергетической эффективности тепловых сетей. Корректировка может вестись как поправочными коэффициентами, так с помощью полных значений при расчете COP_пр в виде левой части уравнения (6).

Как показал случай, рассматриваемый в статье [7], при разнице COP_пр и COP в 0,83 (в авторской редакции φ_ТЭЦ = 4,73, φ_ТНУ = 3,9) учет перераспределения энергии позволяет снизить COP_пр и получить ограниченную радиусом теплоснабжения энергоэффективность рассматриваемого авторами проекта. Однако стоит обратить внимание на логическую ловушку при анализе выводов об энергоэффективности при низких значениях COP_пр. Цитируя авторов работы [7]: «Из анализа представленных уравнений видно, что система эффективна только при высоком коэффициенте преобразования ТН (использование низкотемпературных систем отопления) и больших потерь по трассе в существующей системе». При столь низком COP_пр данный вывод, не отменяя факт полученной энергоэффективности, говорит о том, что у ТЭЦ есть устранимые недостатки в работе и сокращение тепловых потерь в сетях транспортировки теплоносителя в сочетании с оптимизацией отпуска теплоты с отборов может значительно увеличить COP_пр.

Дополнительные результаты, полученные при рассмотрении не изолированной теплофикационной системы, показывают, что ограниченная эффективность ТНУ характерна прежде всего для случаев, когда изменение теплофикационной нагрузки замыкается на одну ТЭЦ. При устранении этого ограничения и переносе недовыработанной мощности на другие элементы энергосистемы ситуация может принципиально поменяться. Как следует из анализа работы потенциальной связки «Читинская ТЭЦ-1 – Харанорская ГРЭС» (Энергосистема Забайкальского края), перераспределение паропотока и мощности с ТЭЦ на более эффективные конденсационные турбины позволяет уменьшить COP_пр до значений, сопоставимых с реальными COP оптимизированных тепловых насосов.

Для Читинской ТЭЦ-1 в расчет принята турбина ПТ-60-90/13 у которой работа теплового насоса будет отнесена к одному теплофикационному отбору с номинальным давлением 0,12 МПа. Согласно процессу расширения пара в турбине ПТ-60-90/13 и термодинамическим параметрам пара в отборе и подогревателе: h_отб. = 2615 кДж/кг, h_к = 2285 кДж/кг, h_др. = 439 кДж/кг.

При переносе мощностей в энергосистему для турбины ПТ-60-90/13 на каждый скомпенсированный за счет ТНУ килограмм пара будет потеряно 1189 кДж энергии, эквивалентно полному теплоперепаду (от начальных параметров h₀ до h_к). Данное количество энергии необходимо будет выработать на турбине, которая будет дозагружена с целью восстановить баланс в энергосистеме.

При переносе мощности на турбину К-215-130, обладающей вторичным перегревом, каждый килограмм пара сможет выработать до 1524 кДж энергии.

Упрощенные процессы расширения для рассматриваемых турбин показаны на рисунке 2.

Эффективность работы К-215-130 позволит добавить 335 кДж/кг энергии сверх потерянного для турбины ПТ-60-90/13. При этом разница в эффективности систем регенерации и начальных параметрах пара позволит котлам блоков с турбинами К-215-130 вырабатывать на 3% больше пара при прочих равных условиях на условно перенесённом топливе. С учетом выявленных изменений формула для COP_пр примет следующий вид:

В результате расчета получаем COP_пр равный 3,37. Полученное значение оказывается ниже COP для оптимизированных систем теплоснабжения с тепловыми насосами.

Таким образом можно заключить, что тепловые насосы обладают ограниченной эффективностью в изолированных теплофикационных системах с ТЭЦ и их установка в такие системы чаще всего является не целесообразной при попытке отнести мощность тепловых насосов на оборудование ТЭЦ, однако перенос мощностей на энергосистему с генерирующими мощностями более высокой эффективности позволяет преодолеть границу неэффективности и получить системную экономию топлива.

Заключение

Предложенный в работе предельно неэффективный коэффициент преобразования ТНУ (COP_пр.) в полной мере отражает энергетическую эффективность применения ТНУ при теплофикации. Данный коэффициент показывает, что если высвобождаемой электрической мощности, при снижении тепловой нагрузки на отборы, достаточно только для покрытия нужд ТНУ, то в таком случае ТНУ имеет нулевую энергетическую эффективность. Выявлено, что эффективность ТНУ при совместной работе с ТЭЦ зависит главным образом от параметров пара в отборах и конденсаторе турбины. Доказано, что проекты с ТНУ на обратном трубопроводе не могут считаться энергоэффективными, поскольку количество теплоты, получаемой при конденсации пара, будет всегда больше мощности, которую можно получить в турбине на том же количестве пара при равных начальных условиях. Применение ТНУ на обратном трубопроводе до стадии изменения температурного графика сети, когда температура обратной сетевой воды становится достаточно низкой для использования в качестве охлаждающей воды конденсаторов, теоретически даст возможность оценивать их как аналогичные проекты с возобновляемыми источниками теплоты.

Литература

1. Гершкович В.Ф., Литовченко А. К. Оценка эффективности использования в тепловом насосе тепла из обратного трубопровода тепловой сети при теплоснабжении от ТЭЦ // Ростепло [Электронный ресурс]. URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3900 (дата обращения:11.2023).
2. Козлов С. А. О применении ТНУ для использования тепла из обратного трубопровода теплосети ТЭЦ, или почему забыли про потребителя // Ростепло [Электронный ресурс]. URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3913 (дата обращения:11.2023).
3. Ротов П. В., Шарапов В. И. Технико-экономическая оценка целесообразности применения теплонасосных установок в централизованных системах теплоснабжения // Промышленная энергетика. 2015. № 6. С. 6–11.
4. Соболева И. С., Юрьева И. В., Орлов М. Е. Применение теплонасосных установок для снижения температуры обратной сетевой воды систем теплоснабжения // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2016. Т. 2. С. 358–364.
5. Степанов О. А., Третьякова П. А. Система централизованного теплоснабжения с применением тепловых насосов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ энергетика. 2015. Том 1. № 4. С. 43–51. 10
6. Суворов Д. М., Татаринова Н. В. Эффективность работы ТЭЦ в системах теплоснабжения при переходе на пониженные и расширенные графики регулирования // Проблемы региональной энергетики. 2022. № 3 (55). С. 68–82.
7. Третьякова П. А., Меньшикова А. А., Третьякова Т. В. Показатели эффективности применения тепловых насосов в системе централизованного теплоснабжения // Энергосбережение и водоподготовка. 2020. № 2 (124). С. 17–21.
8. Шеремет Е. О., Семиненко А. С. Применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения в целях повышения экономичности и энергоэффективности тепловых сетей // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8–1. С. 54–57.
9. Шит М. Л., Журавлев А. А., Суворов Д. М., Суворова Л. А. Система теплоснабжения с ТЭЦ и локальными тепловыми насосами, использующими теплоту обратной сетевой воды. Часть 2 // Проблемы региональной энергетики. 2020. № 2 (46). С. 107–122.